L'elettronica si basa sulla manipolazione di elettroni e altri portatori di carica, ma oltre a pagare, gli elettroni possiedono una proprietà nota come spin. Quando lo spin viene manipolato con campi magnetici ed elettrici, il risultato è una corrente polarizzata in spin che trasporta più informazioni di quanto sia possibile con la sola carica. Elettronica di trasporto di spin, o spintronica, è oggetto di indagine attiva all'interno dell'ammiraglia europea del grafene.

La spintronica è lo studio e lo sfruttamento in dispositivi a stato solido dello spin dell'elettrone e del suo momento magnetico associato, insieme alla carica elettrica. Alcuni considerano l'argomento esoterico, data la fisica quantistica e la chimica concettualmente impegnative che ne sono alla base, ma una volta si diceva lo stesso di quella che oggi è l'elettronica mainstream. La realtà è che la spintronica è un campo in via di maturazione della scienza applicata e dell'ingegneria, così come affascinante scienza pura a sé stante.

Spin dell'elettrone e logica quantistica

Prima di esaminare la spintronica nel grafene, vale la pena notare che la spintronica è già consolidata in un'area critica dell'elettronica digitale, vale a dire l'archiviazione dei dati.

Lo spin può essere pensato come la rotazione dell'elettrone attorno al proprio asse. È una forma di momento angolare intrinseco, e può essere rilevato come un campo magnetico con uno dei due orientamenti:su e giù. Combina questi orientamenti magnetici con gli stati di corrente on/off in logica binaria, e abbiamo un sistema di quattro stati, con i due orientamenti magnetici che formano un bit quantico, o qubit.

In termini di tecnologia informatica, quattro stati invece di due forniscono velocità di trasferimento dati più elevate, maggiore potenza di elaborazione e densità di memoria, e maggiore capacità di archiviazione. Lo spin dell'elettrone fornisce un ulteriore grado di libertà per memorizzare e manipolare le informazioni.

Le testine di lettura dei moderni dischi rigidi magnetici sfruttano gli effetti legati allo spin noti come Giant Magnetoresistenza (GMR) e Tunnel Magnetoresistenza (TMR). Nei dispositivi GMR, due o più strati di materiali ferromagnetici sono separati da un distanziatore. Quando i vettori di magnetizzazione degli strati magnetici sono allineati, la resistenza elettrica è inferiore rispetto a quando i vettori sono in senso opposto. Un dispositivo basato su tale configurazione è noto come valvola di rotazione. In TMR, il trasporto degli elettroni è ottenuto mediante tunneling meccanico quantistico delle particelle attraverso un isolante che separa gli strati ferromagnetici.

In entrambi i casi, il risultato è un sensore di campo magnetico che può essere utilizzato per leggere i dati codificati magneticamente sui piatti del disco rigido. E non solo hard disk. Anche due tipi di memoria del computer, la memoria ad accesso casuale magnetoresistivo e la memoria da pista, sfruttano lo spin degli elettroni.

Trasporto di spin nel grafene

Grafene, un monostrato atomico di carbonio grafitico, è un materiale promettente per le applicazioni di spintronica grazie alla sua capacità di trasporto di spin a temperatura ambiente su lunghezze di diffusione relativamente lunghe di diversi micrometri. Il grafene ha anche un'elevata mobilità degli elettroni, e una concentrazione di portatori di carica regolabile.

L'interesse per il trasporto di spin a temperatura ambiente nel grafene risale al 2007, con esperimenti eseguiti dal gruppo di ricerca del fisico dell'Università di Groningen e scienziato leader della Graphene Flagship Bart van Wees. Una discussione su quella prima dimostrazione pratica del trasporto di spin, insieme a una panoramica tecnica dettagliata della spintronica del grafene in teoria e pratica, può essere trovato in un articolo pubblicato l'anno scorso sulla rivista accademica Nanotecnologia della natura . Uno degli autori della revisione è Jaroslav Fabian, scienziato di punta di Ratisbona.

Gli esperimenti del gruppo di van Wees e gli studi successivi hanno mostrato un'efficienza di iniezione di spin relativamente bassa di circa il 10%, che è stato attribuito a una discrepanza di conduttanza tra i metalli ferromagnetici e il grafene, o altri effetti correlati al contatto. Efficienze considerevolmente più elevate sono state ottenute utilizzando film sottili di ossido di magnesio come barriera del tunnel.

Sono stati adottati anche ulteriori approcci, compresi i contatti pinhole attraverso una barriera isolante, contatti trasparenti, in cui gli elettrodi ferromagnetici sono a diretto contatto con lo strato di grafene, e l'uso di metalli non magnetici come il rame. In caso di tunneling attraverso una barriera isolante, la più grande magnetoresistenza misurata è stata di 130 ohm, corrispondente a un'efficienza di iniezione di spin superiore al 60%.

Passare da studi su piccola scala a indagini sul trasporto di spin nel grafene di grandi dimensioni è un passo fondamentale verso l'abilitazione della spintronica del grafene su scala di wafer a circuito integrato. L'attenzione qui è stata sul trasporto di spin in strati di grafene sospesi, e grafene depositato su substrati di nitruro di boro esagonale (hBN). Man mano che la tecnologia progredisce, si osservano lunghezze di spin e tempi di vita più lunghi, e un esempio pratico di tale eterostruttura grafene-hBN sarà discusso in un articolo di follow-up.

Rendere magnetico il grafene

Creare un ordine magnetico nel grafene, che nel suo stato originario è un materiale fortemente diamagnetico, è una grande sfida. Ciò nonostante, indurre momenti magnetici nel grafene è di vitale importanza se il materiale deve essere utilizzato nella spintronica. La speranza è quella di avere un magnetismo sintonizzabile attraverso il doping o la funzionalizzazione del grafene. Ciò potrebbe essere ottenuto attraverso difetti nella struttura cristallina esagonale del materiale, o l'influenza degli atomi adsorbiti sulla sua superficie.

Il grafene idrogenato è un caso di riferimento per il magnetismo del grafene, con atomi di idrogeno che assorbono chimicamente sul grafene in modo reversibile. Questo crea uno squilibrio nel reticolo cristallino, inducendo un momento magnetico. Un altro anatomo interessante è il fluoro, che si lega al carbonio, trasformando il grafene in un isolante ad ampio gap. Come con l'idrogeno, il fluoro può essere chemisorbito in modo reversibile sul grafene.

"Il grafene è un materiale promettente per la spintronica, dato che le sue proprietà di spin non solo possono essere personalizzate, ma in effetti definito da quali adatomi e altri materiali 2D combini con esso, " afferma Fabian. "Una volta individuati i materiali giusti – ed è questo che stiamo indagando nel flagship – si apre la strada verso specifiche applicazioni tecnologiche".

Un atomo di carbonio mancante, o vacanza nella struttura del grafene, crea una densità di elettroni spin polarizzati strappando quattro elettroni dalle bande, tre dei quali formano stati di "legame sospeso". Due di questi legami penzolanti contribuiscono a momenti magnetici, ma mancano prove dirette del previsto -magnetismo.

Estensione della durata della centrifuga

Massimizzare la durata dello spin è fondamentale quando si tratta di applicazioni della spintronica del grafene. La teoria prevede vite di circa un microsecondo per il grafene incontaminato, mentre l'esperimento mostra valori che vanno da decine di picosecondi a pochi nanosecondi. Solo con tempi di vita di nanosecondi e più a lungo il trasporto di spin nel grafene si dimostrerà utile nelle applicazioni del mondo reale. La discrepanza di più di due ordini di grandezza è una seria preoccupazione, e suggerisce che la fonte del rilassamento di spin è di origine estrinseca, come impurità, difetti o increspature nel grafene studiato.

Sperimentalmente sono state osservate vite di spin di pochi nanosecondi per valvole di spin in grafene su substrati di biossido di silicio con contatti tunneling, ma con i contatti a foro stenopeico le durate misurate sono solo una frazione di nanosecondo. Il rilassamento della rotazione indotto dal contatto è un fattore significativo. Questo può essere ridotto al minimo migliorando la qualità dei contatti, e rendendo la distanza tra gli elettrodi ferromagnetici molto più grande della lunghezza di rilassamento dello spin del grafene.

Nonostante numerosi studi teorici, l'origine del rilassamento di spin nel grafene è poco conosciuta. Sono stati proposti due meccanismi per spiegare le tendenze sperimentali. Entrambi hanno le loro origini nella spintronica dei metalli e dei semiconduttori, e ciascuno di essi si basa sull'accoppiamento spin-orbita e sulla diffusione del momento. L'accoppiamento spin-orbita è l'interazione dello spin di un elettrone con il suo movimento, che porta a spostamenti nei livelli di energia atomica della particella come risultato dell'interazione tra lo spin e il campo magnetico generato dall'orbita dell'elettrone attorno al nucleo atomico.

Il problema è che nessuno dei meccanismi di rilassamento dello spin proposti funziona. Entrambi prevedono vite in microsecondi, tuttavia gli esperimenti mostrano al massimo pochi nanosecondi. L'unico meccanismo che concorda con l'esperimento sia per il grafene singolo che per quello a doppio strato si basa sulla diffusione risonante da momenti magnetici locali. Questo modello è stato proposto dal gruppo di ricerca di Fabian a Regensburg.

Ciò che studi recenti indicano è che la mobilità degli elettroni non è il fattore limitante per la durata dello spin, e la dispersione tra particelle cariche e impurità non è principalmente responsabile del rilassamento dello spin nel grafene. Detto ciò, determinare la fonte primaria di rilassamento dello spin rimane una sfida importante per i ricercatori sul grafene. Identificarlo dovrebbe aiutare ad aumentare la durata dello spin nel grafene verso il limite teorico, che avrà importanti implicazioni sia per la scienza di base che per le applicazioni tecnologiche.

Direzioni future

Nella conclusione della loro recensione su Nature Nanotechnology, Fabian e i suoi colleghi considerano il grafene nei dispositivi logici basati sulla coppia a trasferimento di spin che utilizzano spin e magneti per l'elaborazione delle informazioni. I dispositivi spin-logic sono ora parte della Roadmap tecnologica internazionale per i semiconduttori, in vista della loro inclusione nei futuri computer.

Esempi di dispositivi a logica di spin includono microchip riscrivibili, transistor, porte logiche, sensori magnetici e nanoparticelle di semiconduttori per il calcolo quantistico. Queste e altre opportunità per la spintronica basata sul grafene sono discusse nella recente pubblicazione "Science and technology roadmap for graphene, relativi cristalli bidimensionali, e sistemi ibridi". La tabella di marcia è stata sviluppata nell'ambito di Europe's Graphene Flagship - un consorzio accademico/industriale internazionale, cofinanziato dalla Commissione Europea, dedicato allo sviluppo del grafene e di altri materiali stratificati.

La spintronica può essere un campo relativamente giovane di ricerca e sviluppo, ma negli ultimi anni abbiamo visto progressi significativi verso lunghe vite di spin e lunghezze di diffusione nel grafene e nei materiali correlati. I ricercatori di Graphene Flagship sono al centro di questo sforzo mondiale.