I ricercatori dell'ICN2 Theoretical and Computational Nanoscience Group e dell'Université catholique de Louvain hanno utilizzato simulazioni numeriche per dimostrare che la lunghezza di diffusione dello spin è indipendente dalla dimensione dei grani. I risultati sono pubblicati in Nano lettere e hanno implicazioni per l'ottimizzazione dei dispositivi spintronici basati sul grafene.

Il grafene è un materiale che negli ultimi anni sta guadagnando fama grazie alle sue magnifiche proprietà. In particolare, per la spintronica, il grafene è un materiale prezioso perché gli spin degli elettroni utilizzati rimangono inalterati per un tempo relativamente lungo. Però, il grafene deve essere prodotto su larga scala per poter essere utilizzato in dispositivi futuri. Con tale rispetto, La deposizione chimica da vapore (CVD) è il metodo di fabbricazione più promettente.

La CVD comporta la crescita di grafene su un substrato metallico ad alte temperature. In questo processo, la generazione di grafene inizia contemporaneamente in diversi punti del substrato. Questo produce diversi domini monocristallini di grafene separati l'uno dall'altro attraverso bordi di grano, costituito da matrici di cinque, anelli di carbonio a sette o addirittura otto membri. Il prodotto finale è, così, grafene policristallino.

Il grafene policristallino è buono come il grafene monocristallino per la spintronica? I bordi dei grani sono una fonte significativa di dispersione di carica, aumentando la resistenza elettrica del materiale. In che modo influenzano il trasporto di spin?

Alcuni esperimenti suggeriscono che i bordi dei grani non giocano un ruolo importante nel trasporto di spin. In tale contesto, Dottor Aron W. Cummings, dal gruppo di nanoscienze teoriche e computazionali ICN2, guidato da ICREA Prof. Stephan Roche, insieme a ricercatori dell'Université catholique de Louvain (Belgio), hanno utilizzato simulazioni di principi primi per studiare l'impatto dei bordi dei grani sul trasporto di spin nel grafene policristallino. Lo studio è pubblicato su Nano lettere .

I ricercatori hanno considerato due diversi meccanismi attraverso i quali gli spin potrebbero perdere il loro orientamento originale (rilassamento di spin). Uno spiega la randomizzazione degli spin all'interno dei grani a causa dell'accoppiamento spin-orbita, l'altro considera la possibilità che gli spin si capovolgano a causa della dispersione in un bordo di grano. Però, i ricercatori hanno scoperto che quest'ultimo caso non si è verificato. I bordi dei grani non hanno alcun effetto negativo sul trasporto di spin.

Perciò, la lunghezza della diffusione dello spin nel grafene policristallino è indipendente dalla dimensione del grano e dipende solo dalla forza dell'accoppiamento spin-orbita indotto dal substrato. Inoltre, questo vale non solo per il regime diffusivo di trasporto, ma anche per quello debolmente localizzato, in cui iniziano a prevalere i fenomeni quantistici. Questa è la prima simulazione di meccanica quantistica che conferma che la stessa espressione per la lunghezza di diffusione dello spin vale in entrambi i regimi.

La ricerca evidenzia il fatto che il grafene a dominio singolo potrebbe non essere un requisito per le applicazioni di spintronica, e che il grafene policristallino coltivato in CVD potrebbe funzionare altrettanto bene. Questo pone l'attenzione su altri aspetti da migliorare nella produzione di grafene, come l'eliminazione delle impurità magnetiche.