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  • Il grafene e i materiali 2-D potrebbero spostare l'elettronica oltre la legge di Moores

    Illustrazione di fenomeni spintronici emergenti in un'eterostruttura di van der Waals 2D. Il grafene agisce come un canale di trasporto dello spin ideale data la sua lunga lunghezza di rilassamento dello spin. Al centro del canale vengono utilizzati due contatti magnetici per iniettare elettricamente o rilevare la corrente di spin. La necessità di contatti magnetici viene aggirata utilizzando eterostrutture di grafene e dicalcogenuri di metalli di transizione, che consentono l'iniezione di spin ottica diretta (in alto a sinistra) e la conversione diretta da carica a spin (in basso a destra). Credito: Recensioni di Fisica Moderna (2020). DOI:10.1103/RevModPhys.92.021003

    Un team di ricercatori con sede a Manchester, Paesi Bassi, Singapore, Spagna, La Svizzera e gli Stati Uniti hanno pubblicato una nuova recensione su un campo dello sviluppo di dispositivi informatici noto come spintronica, che potrebbe vedere il grafene utilizzato come elemento costitutivo per l'elettronica di prossima generazione.

    I recenti progressi e fenomeni teorici e sperimentali negli studi sul trasporto elettronico di spin nel grafene e nei relativi materiali bidimensionali (2-D) sono emersi come un'affascinante area di ricerca e sviluppo.

    La spintronica è la combinazione di elettronica e magnetismo, su scala nanometrica e potrebbe portare alla prossima generazione di elettronica ad alta velocità. I dispositivi spintronici sono una valida alternativa per la nanoelettronica oltre la legge di Moore, offrendo una maggiore efficienza energetica e una minore dissipazione rispetto all'elettronica convenzionale, che si basa su correnti di carica. In linea di principio potremmo avere telefoni e tablet che funzionano con transistor e memorie basati su spin.

    Come pubblicato oggi su APS Journal Rassegna di Fisica Moderna , la rassegna si focalizza sulle nuove prospettive fornite dalle eterostrutture e dai loro fenomeni emergenti, compresi gli effetti spin-orbita abilitati alla prossimità, accoppiando la rotazione alla luce, accordabilità elettrica e magnetismo 2-D.

    La persona media incontra già la spintronica nei laptop e nei PC, che già utilizzano la spintronica sotto forma di sensori magnetici nelle testine di lettura dei dischi rigidi. Questi sensori sono utilizzati anche nell'industria automobilistica.

    Spintronics è un nuovo approccio allo sviluppo dell'elettronica in cui sia i dispositivi di memoria (RAM) che i dispositivi logici (transistor) sono implementati con l'uso di "spin", che è la proprietà di base degli elettroni che li fa comportare come minuscoli magneti, così come la carica elettronica.

    Dott. Ivan Vera Marun, Il docente di fisica della materia condensata presso l'Università di Manchester ha dichiarato:"I continui progressi nella spintronica del grafene, e più in generale nelle eterostrutture 2-D, ha portato alla creazione efficiente, trasporto, e rilevamento delle informazioni sugli spin utilizzando effetti precedentemente inaccessibili al solo grafene.

    "Mentre continuano gli sforzi sia sugli aspetti fondamentali che su quelli tecnologici, crediamo che il trasporto di spin balistico sarà realizzato in eterostrutture 2-D, anche a temperatura ambiente. Tale trasporto consentirebbe l'uso pratico delle proprietà quantomeccaniche delle funzioni d'onda degli elettroni, portando spin nei materiali 2-D al servizio dei futuri approcci di calcolo quantistico".

    Il trasporto di spin controllato nel grafene e in altri materiali bidimensionali è diventato sempre più promettente per le applicazioni nei dispositivi. Di particolare interesse sono le eterostrutture personalizzate, note come eterostrutture di van der Waals, che consistono in pile di materiali bidimensionali in un ordine controllato con precisione. Questa recensione offre una panoramica di questo campo in via di sviluppo della spintronica del grafene e delinea lo stato dell'arte sperimentale e teorico.

    Sono già in produzione miliardi di dispositivi spintronici come sensori e memorie. Ogni unità disco rigido ha un sensore magnetico che utilizza un flusso di giri, e i chip di memoria ad accesso casuale magnetico (MRAM) stanno diventando sempre più popolari.

    Nell'ultima decade, risultati entusiasmanti sono stati ottenuti nel campo della spintronica del grafene, evolvendo verso una prossima generazione di studi che si estendono a nuovi composti bidimensionali (2-D).

    Dal suo isolamento nel 2004, il grafene ha aperto la porta ad altri materiali 2-D. I ricercatori possono quindi utilizzare questi materiali per creare pile di materiali 2-D chiamati eterostrutture. Questi possono essere combinati con il grafene per creare nuovi "materiali di design" per produrre applicazioni originariamente limitate alla fantascienza.

    Il professor Francisco Guinea, coautore del documento, ha dichiarato:"Il campo della spintronica, le proprietà e la manipolazione degli spin nei materiali ha portato alla luce una serie di nuovi aspetti nel comportamento dei solidi. Lo studio degli aspetti fondamentali del moto degli elettroni portatori di spin è uno dei campi più attivi nella fisica della materia condensata".

    L'identificazione e la caratterizzazione di nuovi materiali quantistici con proprietà elettroniche e magnetiche topologiche non banali è oggetto di intensi studi in tutto il mondo, dopo la formulazione, nel 2004 del concetto di isolatori topologici. La spintronica è al centro di questa ricerca. Per la loro purezza, forza, e semplicità, i materiali bidimensionali sono la migliore piattaforma dove trovare queste caratteristiche topologiche uniche che riguardano la fisica quantistica, elettronica, e magnetismo."

    Globale, il campo della spintronica nel grafene e nei relativi materiali 2-D si sta attualmente muovendo verso la dimostrazione di dispositivi spintronici pratici al grafene come i nano-oscillatori accoppiati per applicazioni nei campi della comunicazione spaziale, collegamenti radio ad alta velocità, radar per veicoli e applicazioni di comunicazione interchip.


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