I ricercatori hanno fabbricato i dispositivi spintronici presso il laboratorio di fabbricazione Nano della Chalmers University of Technology. Da sinistra:Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta e André Dankert. Credito:Oscar Mattsson
I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno scoperto che il grafene di grandi dimensioni è in grado di preservare lo spin degli elettroni per un periodo prolungato, e comunicarlo a distanze maggiori di quelle precedentemente conosciute. Questo ha aperto le porte allo sviluppo della spintronica, con l'obiettivo di produrre memorie e processori per computer più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. I risultati saranno pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
"Riteniamo che questi risultati attireranno molta attenzione nella comunità di ricerca e metteranno il grafene sulla mappa per le applicazioni nei componenti spintronici, "dice Saroj Dash, che guida il gruppo di ricerca presso la Chalmers University of Technology.
La spintronica si basa sullo stato quantistico degli elettroni, e la tecnologia è già utilizzata in dischi rigidi avanzati per l'archiviazione dei dati e la memoria magnetica ad accesso casuale. Ma qui le informazioni basate sullo spin devono solo spostarsi di pochi nanometri, o milionesimi di millimetro. che è fortunato, perché lo spin è una proprietà degli elettroni che nella maggior parte dei materiali è estremamente fragile e di breve durata.
Però, ci sono grandi vantaggi nello sfruttare lo spin come vettore di informazioni, invece di, o in aggiunta alle cariche elettriche. La spintronica potrebbe rendere i processori significativamente più veloci e consumano meno energia di quanto non lo siano oggi.
Il grafene è un candidato promettente per estendere l'uso della spintronica nell'industria elettronica. Il sottile film di carbonio non è solo un ottimo conduttore elettrico, ma ha anche teoricamente la rara capacità di mantenere intatti gli elettroni con lo spin.
"Nei futuri componenti basati su spin, ci si aspetta che gli elettroni siano in grado di percorrere diverse decine di micrometri con i loro spin mantenuti allineati. metalli, come alluminio o rame, non hanno la capacità di gestire questo. Il grafene sembra essere l'unico materiale possibile al momento, "dice Saroj Dash.
Oggi, il grafene è prodotto commercialmente da poche aziende utilizzando diversi metodi, tutte in una fase iniziale di sviluppo.
In poche parole, si potrebbe dire che il grafene di alta qualità si ottiene solo in pezzi molto piccoli, mentre il grafene più grande viene prodotto in modo tale che la qualità sia troppo bassa o presenti altri inconvenienti dal punto di vista dell'industria elettronica.
Ma questa ipotesi generale è ora seriamente messa in discussione dai risultati presentati dal gruppo di ricerca di Chalmers. Hanno condotto i loro esperimenti utilizzando grafene CVD, che viene prodotto attraverso la deposizione chimica da vapore. Il metodo dà al grafene molte rughe, ruvidità e altri difetti.
Ma ha anche dei vantaggi:ci sono buone prospettive per la produzione di grafene su larga scala su scala industriale. Il grafene CVD può anche essere facilmente rimosso dalla lamina di rame su cui cresce e viene sollevato su un wafer di silicio, che è il materiale standard dell'industria dei semiconduttori.
Nel grafene, gli elettroni mantengono la loro magnetizzazione, la loro rotazione (le frecce rosa nella foto) è molto più lunga di quella dei normali conduttori come il rame e l'alluminio. Questa caratteristica del grafene può consentire alla spintronica di diventare un complemento all'elettronica tradizionale, che utilizza solo uno dei gradi di libertà dell'elettrone, vale a dire la loro carica. Credito:M Venkata Kamalakar et al, Comunicazioni sulla natura
Sebbene la qualità del materiale sia tutt'altro che perfetta, il gruppo di ricerca può ora mostrare parametri di spin fino a sei volte superiori a quelli precedentemente riportati per il grafene CVD su un substrato simile.
"Le nostre misurazioni mostrano che il segnale di spin è preservato in canali di grafene lunghi fino a 16 micrometri. La durata durante la quale gli spin rimangono allineati è stata misurata per essere superiore a un nanosecondo, " dice il ricercatore di Chalmers Venkata Kamalakar che è il primo autore dell'articolo.
"Questo è promettente perché suggerisce che i parametri di rotazione possono essere ulteriormente migliorati man mano che sviluppiamo il metodo di produzione.
Il fatto che i ricercatori si stiano concentrando su fino a che punto può essere comunicata la corrente di spin non dovrebbe essere pensato solo come inviare informazioni in un nuovo materiale o sostituire metalli o semiconduttori con grafene. L'obiettivo invece è un modo completamente nuovo di eseguire operazioni logiche e memorizzare le informazioni. Un concetto che, in caso di successo, porterebbe la tecnologia digitale un passo oltre l'attuale dipendenza dai semiconduttori.
"Il grafene è un buon conduttore e non ha band gap. Ma nella spintronica non c'è bisogno che i band gap passino tra on e off, uno e zero. Questo è controllato invece dagli orientamenti di spin verso l'alto o verso il basso dell'elettrone, "Spiega Saroj Dash.
Un obiettivo a breve termine è ora quello di costruire un componente logico che, non diversamente da un transistor, è costituito da grafene e materiali magnetici.
Se la spintronica possa alla fine sostituire completamente la tecnologia dei semiconduttori è una questione aperta, rimangono molte ricerche. Ma il grafene, con le sue eccellenti capacità di conduzione di spin, è molto probabile che sia presente in questo contesto.
Immagine in alto:Schemi che illustrano il trasporto di spin nel grafene CVD su substrato Si/SiO2, con contatti ferromagnetici (Co/TiO2) per l'iniezione e il rilevamento di spin.Immagine in basso:un'immagine al microscopio ottico di un dispositivo spintronico fabbricato su grafene CVD, con canali lunghi (fino a 16 micrometri) su substrato Si/SiO2 con contatti ferromagnetici multipli (Co/TiO2) per iniezione e rilevamento di spin. I dispositivi sono stati fabbricati presso il laboratorio di fabbricazione Nano presso la Chalmers University of Technology. Credito:M Venkata Kamalakar et al, Comunicazioni sulla natura
Sfondo:
Questa è la rotazione:
Lo spin è una proprietà quantomeccanica delle particelle elementari, che tra l'altro dà origine al fenomeno del magnetismo. La rotazione può essere diretta verso l'alto o verso il basso. Per gli elettroni in una normale corrente elettrica, lo spin è distribuito casualmente, e il flusso non trasporta alcun segnale di spin. Ma con l'aiuto dei magneti, gli elettroni che vengono alimentati in un conduttore possono essere polarizzati, il che significa che tutti hanno la rotazione diretta verso l'alto o verso il basso. Potresti paragonare gli elettroni a una serie di piccoli aghi di bussola, tutte rivolte verso nord o sud. La sfida è mantenere questo stato abbastanza a lungo e su distanze sufficientemente lunghe.
Perché lo spin funziona nel grafene:
Lo spin degli elettroni può essere facilmente disturbato da fattori ambientali. Gli atomi e le loro strutture cristalline nel materiale conduttivo hanno un campo elettrico, che viene percepito come un campo magnetico dagli elettroni che passano di corsa. Ma poiché il carbonio è un atomo così leggero con solo sei protoni disposti in una struttura esagonale simmetrica, questa interferenza magnetica sarà molto limitata.
Lo spin interno in un nucleo atomico è anche una potenziale fonte di interferenza. Ma lo spin netto del nucleo è trascurabile, poiché la maggior parte degli atomi di carbonio sono dell'isotopo C12, con tanti neutroni quanti protoni.
Tre modi per produrre grafene:
I premi Nobel Geim e Novoselov hanno prodotto il grafene dalla grafite utilizzando un normale nastro adesivo per uso domestico. Metodi simili sono usati oggi per produrre grafene di alta qualità. Ma i pezzi sono piccoli. La compagnia Graphensic, creato dai ricercatori della Swedish Linköping University, produce grafene di grandi dimensioni che viene "coltivato" da un substrato di carburo di silicio.
Alla Chalmers University of Technology, il grafene ad ampia area viene prodotto utilizzando il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD). Per lo studio in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno utilizzato il grafene CVD acquistato dalla società Graphenea in Spagna.
