I ricercatori dell'Università del Witwatersrand hanno trovato modi per controllare il trasporto di spin nelle reti del più piccolo conduttore elettrico conosciuto dall'uomo.
Attaccando chimicamente le nanoparticelle dell'elemento delle terre rare, gadolinio, ai nanotubi di carbonio, i ricercatori hanno scoperto che la conduttività elettrica nei nanotubi può essere aumentata incorporando le proprietà di spin del gadolinio che deriva dalla sua natura magnetica. Per dirla chiaramente, la presenza di un magnete in un mezzo di trasferimento di elettroni introduce un altro grado di libertà che migliora il trasferimento di elettroni, ma solo se adattato con precisione.
Scoperto in Giappone nel 1993, i nanotubi di carbonio sono i tubi più sottili dell'universo, costituito da un cilindro di singoli atomi di carbonio. Al momento della sua scoperta era rivoluzionario, e ci si aspettava che potesse sostituire il silicio nei circuiti elettronici, come microchip e dischi rigidi del computer.
"I nanotubi di carbonio sono noti per la loro capacità di trasportare un'elevata quantità di corrente elettrica e sono molto forti. Sono molto sottili ma gli elettroni possono muoversi molto velocemente al loro interno, con velocità fino a Gigahertz o Terahertz, e quando accoppiati a nanomagneti estendono notevolmente la funzionalità dei nanotubi di carbonio, che è necessario per far progredire la tecnologia moderna attraverso lo sviluppo di dispositivi spintronici ad alta velocità, "dice Siphephile Ncube, un dottorato di ricerca studente presso la Wits School of Physics e l'autore principale dello studio. La sua ricerca è stata pubblicata in Rapporti scientifici mercoledì (23 maggio 2018).
Durante il suo dottorato di ricerca, Ncube ha collaborato con un team di ricercatori dell'Università del Witwatersrand, Università di Johannesburg e l'Università Paul Sabatier in Francia. I ricercatori hanno attaccato chimicamente nanoparticelle di gadolinio sulla superficie dei nanotubi di carbonio per verificare se il magnetismo aumenta o inibisce il trasferimento di elettroni attraverso il sistema. Le misurazioni per interrogare l'effetto delle nanoparticelle magnetiche su una rete di nanotubi di carbonio a parete multipla sono state effettuate presso il Nanoscale Transport Physics Laboratory (NSTPL) di Wits. Questa struttura è dedicata alla nuova nanoelettronica ed è stata avviata dal programma di punta NRF Nanotechnology.
"Abbiamo scoperto che l'effetto delle nanoparticelle magnetiche viene letto nel trasporto elettronico dei nanotubi. A causa della presenza del magnete, gli elettroni diventano spin polarizzati e il trasferimento di carica dipende dallo stato magnetico del gadolinio. Quando i poli magnetici complessivi del gadolinio sono allineati in modo opposto, provoca una maggiore resistenza nei nanotubi e rallenta i flussi di elettroni. Quando i poli magnetici sono disallineati, ha una bassa resistenza, e coadiuva il trasporto degli elettroni, " dice Ncube. Questo fenomeno è noto come effetto della valvola di rotazione, che trova ampia applicazione nello sviluppo di hard disk utilizzati per l'archiviazione dei dati.
Ncube ha iniziato la sua ricerca sui nanotubi di carbonio come studente di Master presso la Wits School of Physics nel 2011, dove ha realizzato nanotubi di carbonio a parete singola, stabilendo una tecnica di sintesi laser. Il suo lavoro, che ha portato alla pubblicazione di vari articoli di ricerca nel settore, è stato eseguito su strumenti del CSIR National Laser Center Rental Pool Programme. È anche la prima ricercatrice in Africa a costruire un dispositivo elettronico in grado di misurare le proprietà di trasferimento di elettroni dei nanotubi di carbonio accoppiati a nanoparticelle magnetiche. È stata finanziata dal DST-NRF Center of Excellence in Strong Materials.
"La ricerca di Ncube ha stabilito il grande potenziale dei nanotubi di carbonio per dispositivi di commutazione ultraveloci e applicazioni di memoria magnetica, una realizzazione a cui stiamo lavorando sin dalla costituzione della struttura NSTPL nel 2009, ", afferma il supervisore del dottorato di ricerca di Ncube, Professor Somnath Bhattacharyya. "Ad oggi, i nanotubi modificati hanno dimostrato un buon trasporto di spin per i dispositivi realizzati da singoli nanotubi. Per la prima volta abbiamo dimostrato il trasporto di elettroni mediato dallo spin in una rete di nanotubi senza incorporazione di conduttori magnetici." Il progetto fa parte degli obiettivi delineati nel programma di punta NRF Nanotechnology.
