Rappresentazione concettuale di una giunzione di grafene con filtro di spin:i film di nichel (mostrato in blu) e ferro (mostrato in rosso) contengono una miscela di elettroni con spin su e giù. Alcuni strati di grafene (mostrati in grigio) si trovano tra gli strati metallici per creare un percorso conduttivo per gli elettroni di un solo spin, mentre si blocca l'altro giro. Una corrente guidata attraverso la giunzione metallica (etichettata come 'J') diventa spin polarizzata. Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
Un team interdisciplinare di scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti ha riportato la prima dimostrazione del filtraggio dello spin metallico a temperatura ambiente utilizzando dispositivi di giunzione a film sottile ferromagnete-grafene-ferromagneto:lo spin è una proprietà fondamentale degli elettroni, oltre a pagare, che può essere utilizzato per trasmettere, elaborare e memorizzare i dati.
"Il filtraggio dello spin era stato teoricamente previsto e precedentemente visto solo per strutture ad alta resistenza a temperature criogeniche, " ha detto il dottor Enrique Cobas, investigatore principale, NRL Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali. "I nuovi risultati confermano che l'effetto funziona a temperatura ambiente con una resistenza molto bassa in array di più dispositivi".
Le giunzioni a film sottile hanno dimostrato una bassa resistenza, e la caratteristica di magnetoresistenza di un'interfaccia di filtro di spin dalle temperature criogeniche alla temperatura ambiente. Il team di ricerca ha anche sviluppato un modello di dispositivo per incorporare il filtraggio di spin previsto trattando esplicitamente un canale di spin di minoranza metallico con la conversione della corrente di spin, e determinò che la polarizzazione dello spin era almeno dell'80% nello strato di grafene.
"Il grafene è famoso per le sue straordinarie proprietà nel piano, ma volevamo esaminare la conduttività tra fogli di grafene impilati e come interagiscono con altri materiali, " disse Cobas. Per farlo, I ricercatori dell'NRL hanno sviluppato una ricetta per far crescere grandi film di grafene multistrato direttamente su una superficie liscia, pellicola in lega di nichel cristallina pur mantenendo le proprietà magnetiche di quella pellicola, quindi modellato il film in matrici di giunzioni trasversali. "Volevamo anche dimostrare che potevamo produrre questi dispositivi con strumenti standard del settore, non solo creare un dispositivo, " Ha aggiunto Cobas.
Il fenomeno del filtraggio di spin è dovuto all'interazione delle proprietà quantomeccaniche del grafene con quelle di un film di nichel cristallino. Quando le strutture di nichel e grafene si allineano, solo gli elettroni con uno spin possono passare facilmente da un materiale all'altro, un effetto chiamato spin filtering, che provoca la polarizzazione di spin di una corrente elettrica.
"C'è spazio per miglioramenti poiché la teoria suggerisce che l'effetto può essere aumentato di un ordine di grandezza regolando con precisione il numero di strati di grafene, " ha detto il dottor Olaf van 't Erve, ricercatore, NRL Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali. "Però, i modelli attuali non includono la conversione di spin che avviene all'interno dei contatti ferromagnetici. Una volta che teniamo conto di questi effetti, siamo già vicini al caso ideale del 100% di polarizzazione dello spin nello strato di grafene, consentendoci di rivedere la geometria e i materiali del nostro dispositivo per massimizzare l'effetto."
Il risultato è rilevante per la memoria ad accesso casuale magnetico non volatile (MRAM) di nuova generazione, che utilizza impulsi polarizzati con spin per capovolgere un bit magnetico da 0 a 1 e viceversa. Potrebbe anche trovare uso in future tecnologie di logica di rotazione o come sensori magnetici.
