I fisici dell'Università di Groningen, in collaborazione con un gruppo di fisica teorica dell'Universität Regensburg, hanno costruito un dispositivo di grafene a doppio strato ottimizzato che mostra sia una lunga durata dello spin sia un'anisotropia della durata dello spin controllabile elettricamente. Ha il potenziale per applicazioni pratiche come dispositivi logici basati su spin. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica il 20 settembre.

La miniaturizzazione degli elementi dei sistemi informatici negli ultimi 60 anni ha aumentato la loro capacità, consentendo loro di diffondersi in quasi tutti gli aspetti della vita quotidiana. I microprocessori hanno ormai raggiunto scale inferiori a 100 atomi e si stanno avvicinando a limiti fondamentali. A causa delle maggiori richieste, sono necessari nuovi concetti in grado di fornire funzionalità avanzate. In tale contesto, i ricercatori stanno studiando l'uso dello spin per il trasporto e l'archiviazione delle informazioni. Lo spin è una proprietà della meccanica quantistica degli elettroni, che conferisce loro un momento magnetico che potrebbe essere utilizzato per trasferire o archiviare informazioni. Il campo dell'elettronica basata sullo spin (spintronica) si è già fatto strada nei dischi rigidi dei computer, e promette anche di rivoluzionare le unità di elaborazione.

Il grafene è un ottimo conduttore di spin elettronici, ma è difficile controllare gli spin in questo materiale a causa della loro debole interazione con gli atomi di carbonio (l'accoppiamento spin-orbita). Il lavoro precedente del gruppo di fisica dei nanodevices dell'Università di Groningen guidato dal professor Bart van Wees ha posizionato il grafene in prossimità di un dichalcogenuro di metallo di transizione, un materiale stratificato con un'elevata forza intrinseca di accoppiamento spin-orbita. L'elevata forza di accoppiamento spin-orbita è stata trasferita al grafene tramite un'interazione a corto raggio all'interfaccia. Ciò ha permesso di controllare le correnti di spin, ma solo al costo di una ridotta durata della centrifuga.

Nel nuovo studio, i ricercatori sono riusciti a controllare le correnti di spin in un doppio strato di grafene. "Questo è stato effettivamente previsto in un documento teorico nel 2012, ma la tecnologia per misurare accuratamente l'effetto è diventata disponibile solo di recente, " spiega Christian Leutenantsmeyer, un dottorato di ricerca studente del gruppo Van Wees e primo autore del paper PRL. Il documento è una collaborazione tra il gruppo Van Wees e un gruppo di fisica teorica dell'Universität Regensburg in Germania.

Il documento del 2012 prevedeva il trasporto di spin anisotropo nei doppi strati di grafene come conseguenza dell'accoppiamento spin-orbita nel grafene a doppio strato. Il trasporto di spin anisotropo descrive la situazione in cui gli spin che puntano all'interno o all'esterno del piano del grafene sono condotti con diverse efficienze. Ciò è stato osservato nei dispositivi prodotti da Leutenantsmeyer e dai suoi colleghi.

La corrente di spin potrebbe anche essere controllata usando l'anisotropia della durata dello spin poiché gli spin nel piano vivono molto più brevi di quelli fuori dal piano, e potrebbe essere utilizzato in dispositivi per polarizzare le correnti di spin. Leutenantsmeyer dice, "Abbiamo scoperto che la forza dell'anisotropia è paragonabile ai dispositivi dicalcogenuro di grafene/metallo di transizione, ma abbiamo osservato una durata di spin 100 volte maggiore. Abbiamo quindi ottenuto sia un trasporto efficiente delle rotazioni che un controllo efficiente delle rotazioni".

Il lavoro fornisce informazioni sulle proprietà fondamentali dell'accoppiamento spin-orbita nel grafene a doppio strato. "E inoltre, le nostre scoperte aprono nuove strade per il controllo elettrico efficiente degli spin nel grafene di alta qualità, una pietra miliare per il grafene."