La svolta, descritta in uno studio pubblicato su Nature , coinvolge il campo della spintronica, che mira a manipolare lo spin degli elettroni per archiviare ed elaborare informazioni.

I ricercatori hanno applicato un impulso elettrico per trasferire queste informazioni sullo spin dagli elettroni ai fotoni, le particelle che compongono la luce, consentendo alle informazioni di essere trasportate a grandi distanze a grande velocità. Il loro metodo soddisfa tre criteri cruciali (funzionamento a temperatura ambiente, assenza di campo magnetico e capacità di controllo elettrico) e apre le porte a una gamma di applicazioni, tra cui la comunicazione ultraveloce e le tecnologie quantistiche.

"Per decenni abbiamo sognato e previsto dispositivi spintronici a temperatura ambiente che andassero oltre la magnetoresistenza e si limitassero a memorizzare informazioni. Con la scoperta di questo team, i nostri sogni diventano realtà", afferma il coautore dello studio, Igor Žutić, professore emerito di fisica presso l'Università della SUNY. a Buffalo.

Lo studio è stato condotto dall'Istituto Jean Lamour, un'unità congiunta del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) e dell'Università della Lorena. Altri contributori rappresentano università e istituti in Francia, Germania, Giappone, Cina e Stati Uniti.

I dispositivi spintronici potrebbero sostituire l'elettronica convenzionale

Nella spintronica, utilizzata con successo nei dischi rigidi dei computer magnetici, l'informazione è rappresentata dallo spin dell'elettrone e, per suo tramite, dalla direzione della magnetizzazione.

I ferromagneti, come il ferro o il cobalto, hanno un numero disuguale di elettroni i cui spin sono orientati lungo o contro l'asse di magnetizzazione. Gli elettroni con spin lungo la magnetizzazione viaggiano agevolmente attraverso un ferromagnete, mentre quelli con orientamento di spin opposto vengono fatti rimbalzare. Questo rappresenta informazioni binarie, 0 e 1.

La conseguente variazione della resistenza è il principio chiave per i dispositivi spintronici, il cui stato magnetico, che può essere considerato un'informazione memorizzata, viene mantenuto indefinitamente. Proprio come un magnete da frigorifero non ha bisogno di energia per rimanere attaccato alla porta, i dispositivi spintronici richiederebbero molta meno energia rispetto all'elettronica convenzionale.

Tuttavia, come quando si prende un pesce fuori dall’acqua, le informazioni sullo spin vengono perse rapidamente e non possono viaggiare lontano quando gli elettroni vengono rimossi dal ferromagnete. Questa importante limitazione può essere superata utilizzando la luce attraverso la sua polarizzazione circolare, nota anche come elicità, come un altro portatore di spin.

Proprio come gli esseri umani secoli fa usavano i piccioni viaggiatori per trasportare la comunicazione scritta più lontano e più velocemente di quanto si potesse fare a piedi, il trucco sarebbe trasferire lo spin dell'elettrone alle foto, il quanto della luce.

Gli Spin-LED soddisfano tre criteri

La presenza dell'accoppiamento spin-orbita, che è anche responsabile della perdita di informazioni sullo spin all'esterno del ferromagnete, rende possibile tale trasferimento. L'anello mancante cruciale è quindi modulare elettricamente la magnetizzazione e quindi modificare l'elicità della luce emessa.

"Il concetto di spin-LED è stato inizialmente proposto alla fine del secolo scorso. Tuttavia, per passare all'applicazione pratica, deve soddisfare tre criteri cruciali:funzionamento a temperatura ambiente, assenza di campo magnetico e capacità di controllo elettrico", afferma l'autore corrispondente dello studio, Yuan Lu, ricercatore senior del CNRS presso l'Istituto Jean Lamour.

"Dopo più di 15 anni di lavoro dedicato in questo campo, il nostro team collaborativo ha superato con successo tutti gli ostacoli."

I ricercatori sono riusciti a commutare la magnetizzazione di un iniettore spin mediante un impulso elettrico utilizzando la coppia spin-orbita. Lo spin dell'elettrone viene rapidamente convertito in informazioni contenute nell'elicità dei fotoni emessi, consentendo una perfetta integrazione delle dinamiche di magnetizzazione con le tecnologie fotoniche.

Questa conversione spin-fotone controllata elettricamente è ora ottenuta nell'elettroluminescenza dei diodi emettitori di luce. In futuro, attraverso l'implementazione nei diodi laser a semiconduttore, i cosiddetti spin-laser, questa codifica altamente efficiente delle informazioni potrebbe aprire la strada a una comunicazione rapida su distanze interplanetarie poiché la polarizzazione della luce può essere conservata nella propagazione spaziale, rendendola potenzialmente la modalità di comunicazione più veloce tra la Terra e Marte.

Inoltre, porterà grandi benefici allo sviluppo di varie tecnologie avanzate sulla Terra, come la comunicazione e il calcolo quantistico ottico, il calcolo neuromorfico per l'intelligenza artificiale, trasmettitori ottici ultraveloci e altamente efficienti per data center o applicazioni Light-Fidelity (LiFi).

"La realizzazione di iniettori spin-orbita-coppia è un passo decisivo che farà avanzare notevolmente lo sviluppo di laser spin ultraveloci ed efficienti dal punto di vista energetico per la prossima generazione di comunicazioni ottiche e tecnologie quantistiche", afferma il coautore Nils Gerhardt, professore. alla cattedra di Fotonica e Tecnologia Terahertz presso l'Università della Ruhr a Bochum.