Ricercatori in Spagna hanno scoperto che se gli atomi di piombo sono intercalati su un foglio di grafene, un potente campo magnetico è generato dall'interazione dello spin degli elettroni con il loro movimento orbitale. Questa proprietà potrebbe avere implicazioni in spintronica, una tecnologia emergente promossa dall'Unione Europea per creare sistemi computazionali avanzati.

Il grafene è considerato il materiale del futuro per le sue straordinarie proprietà meccaniche ottiche ed elettroniche, soprattutto perché conduce gli elettroni molto rapidamente. Però, non ha proprietà magnetiche, e quindi non è stato trovato alcun metodo per manipolare questi elettroni o nessuna delle loro proprietà per utilizzarli in nuovi dispositivi magnetoelettronici, anche se gli scienziati spagnoli hanno trovato una chiave.

Ricercatori di IMDEA Nanoscience, l'Università Autonoma di Madrid, l'Istituto di Scienza dei Materiali di Madrid (CSIC) e l'Università dei Paesi Baschi descrivono nella rivista Fisica della natura questa settimana come creare un potente campo magnetico usando questo nuovo materiale.

Il segreto è intercalare atomi o isole di Pb sotto il mare di esagoni di carbonio che compongono il grafene. Questo produce un'enorme interazione tra due caratteristiche degli elettroni:il loro spin - un piccolo "magnete" legato alla loro rotazione - e la loro orbita, il movimento che seguono attorno al nucleo.

"Questa interazione spin-orbita è un milione di volte più intensa di quella inerente al grafene, per questo otteniamo rivoluzioni che potrebbero avere usi importanti, ad esempio nella memorizzazione dei dati, " spiega Rodolfo Miranda, Direttore di IMDEA Nanoscience e capo dello studio.

Per ottenere questo effetto, gli scienziati hanno steso uno strato di piombo su un altro di grafene, a sua volta cresciuto su un cristallo di iridio. In questa configurazione il piombo forma delle 'isole' al di sotto del grafene e gli elettroni di questo materiale bidimensionale si comportano come in presenza di un colossale campo magnetico di 80 tesla, che facilita il controllo selettivo del flusso di spin.

Controllo del traffico a due corsie

"E, ciò che è più importante, in queste condizioni alcuni stati elettronici sono topologicamente protetti; in altre parole, sono immuni ai difetti, impurità o disturbi geometrici, " continua Miranda, che fa questo esempio:"Se lo confrontiamo con il traffico, in un tradizionale materiale spintronico le auto circolano lungo una strada a corsia singola, che rendono più probabili le collisioni, mentre con questo nuovo materiale abbiamo il controllo del traffico con due corsie spazialmente separate, prevenire gli incidenti".

La spintronica è una nuova tecnologia che utilizza lo spin magnetico degli elettroni per memorizzare bit di informazioni. Sorse con la scoperta della magnetoresistenza gigante, una scoperta che ha valso a Peter Grümberg e Albert Fert il Premio Nobel per la Fisica nel 2007. È un effetto che provoca grandi cambiamenti nella resistenza elettrica dei materiali multistrato fini e ha portato allo sviluppo di componenti tanto vari quanto il lettore va avanti dischi rigidi o i sensori negli airbag.

La prima generazione di dispositivi spintronici o magneto-resistenti si basava sull'effetto che i materiali magnetici hanno sullo spin degli elettroni. Ma una seconda generazione è già in funzione, e comprende questo nuovo studio, in cui l'interazione spin-orbita degli elettroni agisce su di essi come se ci fosse un vero campo magnetico esterno, anche se non c'è.

L'utilizzo del grafene come componente attivo nella spintronica è uno degli obiettivi fondamentali del grande progetto dell'Unione Europea 'Graphene Flagship'. L'obiettivo finale degli scienziati è controllare intenzionalmente il tipo di spin degli elettroni in questo nuovo materiale per applicarlo ai dispositivi elettronici del futuro.