Dopo aver applicato una tensione esterna, gli ioni di litio fluiscono attraverso il transistor di riduzione-ossidazione e raggiungono il film di magnetite inferiore, alterando la sua concentrazione di portatori di carica e modificando l'orientamento degli spin di Fe. Credito:Tohru Higuchi, Università delle Scienze di Tokyo
Negli ultimi decenni, l'elettronica convenzionale ha rapidamente raggiunto i suoi limiti tecnici nell'informatica e nella tecnologia dell'informazione, richiedendo dispositivi innovativi che vadano oltre la semplice manipolazione della corrente di elettroni. A questo proposito, spintronica, lo studio di dispositivi che sfruttano lo "spin" degli elettroni per svolgere funzioni, è una delle aree più calde della fisica applicata. Ma, misurazione, alterando, e, generalmente, lavorare con questa fondamentale proprietà quantistica non è un'impresa da poco.
Attuali dispositivi spintronici, ad esempio giunzioni tunnel magnetiche:soffrono di limitazioni come il consumo elevato di energia, basse temperature di esercizio, e severi vincoli nella selezione dei materiali. A tal fine, un team di scienziati della Tokyo University of Science e del National Institute for Materials Science (NIMS), Giappone, ha recentemente pubblicato uno studio in ACS Nano , in cui presentano una strategia sorprendentemente semplice ma efficiente per manipolare l'angolo di magnetizzazione nella magnetite (Fe 3 oh 4 ), un tipico materiale ferromagnetico. Il team ha fabbricato un transistor di riduzione-ossidazione ("redox") completamente solido contenente un film sottile di Fe 3 oh 4 su ossido di magnesio e un elettrolita di silicato di litio drogato con zirconio (Fig. 1). L'inserimento di ioni di litio nell'elettrolita solido ha permesso di ottenere la rotazione dell'angolo di magnetizzazione a temperatura ambiente e di modificare significativamente la densità del portatore di elettroni. Professore Associato Tohru Higuchi della Tokyo University of Science, uno degli autori di questo articolo pubblicato, dice "Applicando una tensione per inserire ioni di litio in un elettrolita solido in un ferromagnete, abbiamo sviluppato un dispositivo spintronico in grado di ruotare la magnetizzazione con un consumo energetico inferiore rispetto a quello nella rotazione della magnetizzazione mediante iniezione di corrente di spin. Questa rotazione di magnetizzazione è causata dal cambiamento dell'accoppiamento spin-orbita dovuto all'iniezione di elettroni in un ferromagnete".
A differenza dei precedenti tentativi che si basavano sull'utilizzo di forti campi magnetici esterni o sull'iniezione di correnti adattate allo spin, il nuovo approccio sfrutta una reazione elettrochimica reversibile. Dopo aver applicato una tensione esterna, gli ioni di litio migrano dall'elettrodo superiore di ossido di litio e cobalto e attraverso l'elettrolita prima di raggiungere il Fe . magnetico 3 oh 4 strato. Questi ioni poi si inseriscono nella struttura della magnetite, formando Li X Fe 3 oh 4 e provocando una rotazione misurabile nel suo angolo di magnetizzazione a causa di un'alterazione dei portatori di carica.
La variazione dell'angolo di magnetizzazione diventa evidente con tensioni esterne superiori a 0,7 V, ottenendo una variazione reversibile di circa 10°. A tensioni superiori a 1,2 V, la rotazione è più pronunciata ma diventa irreversibile a causa di cambiamenti strutturali permanenti nella fase magnetite. Credito:Tohru Higuchi, Università delle Scienze di Tokyo
Questo effetto ha permesso agli scienziati di modificare in modo reversibile l'angolo di magnetizzazione di circa 10°. Sebbene sia stata ottenuta una rotazione molto maggiore di 56° aumentando ulteriormente la tensione esterna, hanno scoperto che l'angolo di magnetizzazione non poteva essere completamente ripristinato (Fig. 2). "Abbiamo determinato che questa rotazione irreversibile dell'angolo di magnetizzazione è stata causata da un cambiamento nella struttura cristallina della magnetite a causa di un eccesso di ioni di litio, " spiega Higuchi, "Se potessimo sopprimere tali cambiamenti strutturali irreversibili, potremmo ottenere una rotazione di magnetizzazione considerevolmente maggiore."
Il nuovo dispositivo sviluppato dagli scienziati rappresenta un grande passo avanti nel controllo della magnetizzazione per lo sviluppo di dispositivi spintronici. Inoltre, la struttura del dispositivo è relativamente semplice e di facile realizzazione. Dottor Takashi Tsuchiya, Ricercatore principale presso NIMS, l'autore corrispondente dello studio dice, "Controllando la direzione di magnetizzazione a temperatura ambiente grazie all'inserimento di ioni di litio in Fe 3 oh 4 , abbiamo reso possibile operare con un consumo energetico molto inferiore rispetto alla rotazione di magnetizzazione mediante iniezione di corrente di spin. L'elemento sviluppato opera con una struttura semplice."
Creazione di dispositivi di memoria spintronica ad alta densità con grande capacità e persino dispositivi neuromorfici che imitano i sistemi neurali biologici. Credito:Università delle Scienze di Tokyo
Sebbene resti ancora molto lavoro da fare per sfruttare appieno questo nuovo dispositivo, l'imminente ascesa della spintronica sbloccherà sicuramente molte applicazioni nuove e potenti. "Nel futuro, cercheremo di ottenere una rotazione di 180° nell'angolo di magnetizzazione, "dice il dottor Kazuya Terabe, Principal Investigator presso l'International Center for Materials Nanoarchitectonics del NIMS e coautore dello studio, "Questo ci consentirebbe di creare dispositivi di memoria spintronica ad alta densità con grande capacità e persino dispositivi neuromorfici che imitano i sistemi neurali biologici". Alcune altre applicazioni della spintronica si trovano nell'ambito campo dell'informatica quantistica.
Solo il tempo ci dirà cosa ha in serbo per noi questa tecnologia di frontiera!
