Per realizzare transistor che funzionino utilizzando lo spin degli elettroni anziché la loro carica, è necessario trovare un modo per accendere e spegnere le correnti di spin. Per di più, la durata degli spin dovrebbe essere almeno uguale al tempo impiegato da questi elettroni per viaggiare attraverso un circuito. Gli scienziati dell'Università di Groningen hanno compiuto un importante passo avanti creando un dispositivo che soddisfa entrambi questi requisiti, basato su un doppio strato di grafene sopra uno strato di disolfuro di tungsteno. I loro risultati sono stati pubblicati il ​​16 ottobre sulla rivista Revisione fisica B .

Grafene, una forma bidimensionale di carbonio, è un ottimo conduttore di spin di elettroni. Però, è difficile manipolare le correnti di spin in questo materiale. Lo spin è una proprietà della meccanica quantistica degli elettroni, che li fa comportare come minuscoli magneti. Il gruppo di fisica dei nanodevices presso l'Università di Groningen, guidato dal professor Bart van Wees, sta lavorando su questo problema. In precedenza hanno dimostrato che è possibile controllare le correnti di spin se il grafene viene posizionato sopra uno strato di disolfuro di tungsteno (un altro materiale 2-D).

Nuova tecnica

"Però, questo approccio riduce la durata degli spin, " spiega Siddhartha Omar, un postdoc nel gruppo Van Wees. Il tungsteno è un metallo, e i suoi atomi influenzano gli elettroni che passano attraverso il grafene, dissipare le correnti di spin. Ciò ha portato Omar ad utilizzare un doppio strato di grafene sul disolfuro di tungsteno, basato sulla teoria che gli elettroni che passano attraverso lo strato superiore dovrebbero "sentire" meno l'influenza degli atomi di metallo.

Omar usò anche un'altra nuova tecnica, in cui due diversi tipi di corrente di spin vengono fatti passare attraverso il grafene. Lo spin è un momento magnetico che ha una data direzione. In materiali normali, gli spin non sono allineati. Però, il momento magnetico delle correnti di spin, come quello dei magneti, ha un allineamento preferenziale. Rispetto al materiale attraverso il quale passano gli elettroni, i loro spin possono avere un orientamento nel piano o un orientamento fuori dal piano.

Livello di energia

"L'abbiamo trovato, quando gli elettroni passano attraverso lo strato esterno di grafene, gli spin nel piano vengono dissipati molto rapidamente, in pochi picosecondi. Però, la durata degli spin fuori dal piano è circa cento volte più lunga." Ciò significa che, anche in presenza di disolfuro di tungsteno, un componente delle correnti di spin (spin con orientamento fuori piano) può viaggiare abbastanza lontano da essere utilizzato in dispositivi come i transistor.

Il livello di energia delle correnti di spin osservate da Omar le ha fatte passare attraverso lo strato superiore di grafene. Questo livello di energia può essere potenziato applicando un campo elettrico, spingendo le correnti di spin nello strato inferiore. "Laggiù, gli spin sentiranno il pieno effetto degli atomi di metallo e le correnti di spin si dissiperanno rapidamente, " Spiega Omar. Questa capacità di spegnere la corrente di spin utilizzando un campo elettrico è importante, in quanto potrebbe essere utilizzato per 'portare' i transistor basati su questa tecnologia.

"Sfortunatamente, alcune limitazioni tecniche del substrato su cui abbiamo costruito questi dispositivi ci impediscono di creare campi elettrici abbastanza forti da produrre questo effetto di gate, " dice Omar. "Tuttavia, abbiamo dimostrato che è possibile inviare correnti di spin attraverso un'eterostruttura costituita da grafene e disolfuro di tungsteno. Questo è un passo importante verso la creazione di uno spin transistor".