uno strato di grafene (in alto) con cobalto (in basso a sinistra) e con nichel (in basso a destra). Le configurazioni di spin sono rappresentate da frecce. Credito: Materiali della natura
I ricercatori che lavorano presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of Energy hanno accoppiato grafene, una forma monostrato di carbonio, con strati sottili di materiali magnetici come cobalto e nichel per produrre un comportamento esotico negli elettroni che potrebbe essere utile per le applicazioni informatiche di prossima generazione.
Il lavoro è stato svolto in collaborazione con scienziati francesi tra cui il premio Nobel Albert Fert, professore emerito all'Università Paris-Sud e direttore scientifico di un laboratorio di ricerca in Francia. Il team ha eseguito misurazioni chiave presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab, un DOE Office of Science User Facility focalizzato sulla ricerca sulle nanoscienze.
Fert ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 2007 per il suo lavoro nella comprensione di un effetto magnetico nei materiali multistrato che ha portato alla nuova tecnologia per la lettura dei dati nei dischi rigidi, Per esempio, e ha dato origine a un nuovo campo studiando come sfruttare e controllare una proprietà fondamentale nota come "spin" negli elettroni per guidare un nuovo tipo di bassa energia, memoria del computer ad alta velocità e tecnologia logica nota come spintronica.
In questo ultimo lavoro, pubblicato online il 28 maggio sulla rivista Materiali della natura , il team di ricerca ha mostrato come quella proprietà di spin – analoga a un ago della bussola che può essere sintonizzato per essere rivolto a nord oa sud – è influenzata dall'interazione del grafene con gli strati magnetici.
I ricercatori hanno scoperto che le proprietà elettroniche e magnetiche del materiale creano piccoli modelli vorticosi dove gli strati si incontrano, e questo effetto dà agli scienziati la speranza di controllare la direzione di questi vortici e sfruttare questo effetto per una forma di applicazioni spintronica nota come "spin-orbitronica" in materiali ultrasottili. L'obiettivo finale è archiviare e manipolare i dati in modo rapido ed efficiente su scale molto piccole, e senza l'accumulo di calore che è un problema comune per la miniaturizzazione dei dispositivi informatici.
Tipicamente, i ricercatori che lavorano per produrre questo comportamento per gli elettroni nei materiali hanno accoppiato metalli pesanti e costosi come il platino e il tantalio con materiali magnetici per ottenere tali effetti, ma il grafene offre un'alternativa potenzialmente rivoluzionaria poiché è ultrasottile, leggero, ha una conducibilità elettrica molto elevata, e può anche fungere da strato protettivo per materiali magnetici soggetti a corrosione.
"Si potrebbe pensare di sostituire i dischi rigidi dei computer con tutti i dispositivi a stato solido - senza parti mobili - utilizzando solo segnali elettrici, " ha detto Andreas Schmid, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry che ha partecipato alla ricerca. "Parte dell'obiettivo è ridurre il consumo energetico e l'archiviazione dati non volatile".
L'ultima ricerca rappresenta un primo passo verso questo obiettivo, Schmid ha osservato, e un passo successivo è controllare le caratteristiche magnetiche su scala nanometrica, chiamati skyrmioni, che può esibire una proprietà nota come chiralità che li fa girare in senso orario o antiorario.
In materiali stratificati più convenzionali, gli elettroni che viaggiano attraverso i materiali possono agire come un "vento di elettroni" che cambia le strutture magnetiche come un mucchio di foglie mosse da un forte vento, ha detto Schmid.
In queste immagini sviluppate utilizzando lo strumento SPLEEM al Berkeley Lab, l'orientamento della magnetizzazione in campioni contenenti cobalto (Co) e rutenio (Ru) è rappresentato con frecce bianche. L'immagine a sinistra mostra come viene alterato l'orientamento quando viene aggiunto uno strato di grafene ("Gr"). La barra della scala in basso a destra di entrambe le immagini è di 1 micron, o 1 milionesimi di metro. Credito:Berkeley Lab
Ma con il nuovo materiale a strati di grafene, i suoi forti effetti di spin degli elettroni possono guidare trame magnetiche di chiralità opposta in direzioni diverse come risultato dell'"effetto spin Hall, " il che spiega come le correnti elettriche possono influenzare lo spin e viceversa. Se quella chiralità può essere universalmente allineata attraverso un materiale e capovolta in modo controllato, i ricercatori potrebbero usarlo per elaborare i dati.
"I calcoli di altri membri del team mostrano che se prendi diversi materiali magnetici e grafene e costruisci una pila multistrato di molte strutture ripetute, allora questo fenomeno ed effetto potrebbe essere amplificato molto potentemente, " ha detto Schmid.
Per misurare il materiale stratificato, gli scienziati hanno applicato la microscopia elettronica a bassa energia con spin polarizzata (SPLEEM) utilizzando uno strumento presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica della fonderia molecolare. È uno dei pochi dispositivi specializzati in tutto il mondo che consente agli scienziati di combinare immagini diverse per mappare essenzialmente gli orientamenti del profilo (o vettore) di magnetizzazione 3D di un campione, rivelando le sue "texture spin".
Il team di ricerca ha anche creato i campioni utilizzando lo stesso strumento SPLEEM attraverso un preciso processo noto come epitassia a fascio molecolare, e studiato separatamente i campioni utilizzando altre forme di tecniche di sondaggio del fascio di elettroni.
Gong Chen, un co-autore principale che ha partecipato allo studio come ricercatore post-dottorato presso la Molecular Foundry ed è ora assistente scienziato del progetto presso il Dipartimento di Fisica della UC Davis, ha affermato che la collaborazione è scaturita da una discussione con scienziati francesi in una conferenza nel 2016 – entrambi i gruppi avevano lavorato in modo indipendente su ricerche simili e avevano realizzato la sinergia di lavorare insieme.
Mentre gli effetti che i ricercatori hanno ora osservato negli ultimi esperimenti erano stati discussi decenni fa in precedenti articoli di riviste, Chen ha notato che il concetto di utilizzare un materiale atomicamente sottile come il grafene al posto di elementi pesanti per generare quegli effetti era un concetto nuovo.
"Solo di recente è diventato un argomento scottante, " Ha detto Chen. "Questo effetto nei film sottili è stato ignorato per molto tempo. Questo tipo di impilamento multistrato è davvero stabile e robusto."
L'uso di skyrmion potrebbe essere rivoluzionario per l'elaborazione dei dati, Egli ha detto, perché le informazioni possono essere potenzialmente archiviate a densità molto più elevate di quelle possibili con le tecnologie convenzionali, e con un consumo energetico molto inferiore.
I ricercatori della Molecular Foundry stanno ora lavorando per formare il materiale multistrato magnetico-grafene su un isolante o semiconduttore per avvicinarlo a potenziali applicazioni, ha detto Schmid.
