Uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura coinvolgendo ricercatori dell'Istituto di studi avanzati di nanoscienza (IMDEA) di Madrid e dell'Università di Siviglia ha misurato per la prima volta la conduttività elettrica di un singolo nanotubo di carbonio con molecole spin-reticolate al suo interno.

Poiché i dispositivi elettronici continuano a ridursi per soddisfare le richieste del mercato, gli scienziati stanno lavorando per sviluppare i minuscoli componenti che li fanno funzionare. C'è una domanda persistente di processi veloci ed efficienti, e i dispositivi spin-logic (Spintronics) potrebbero essere la soluzione per plasmare il futuro dell'informatica. Qui, le molecole magnetiche potrebbero aggiungere una nuova svolta all'elettronica convenzionale. In particolare, Le molecole spin-crossover (SCO) conformano una famiglia di unità funzionali a dimensione zero (0D) che mostrano un interruttore di spin radicale innescato da un cambiamento elettro-strutturale attivabile da stimoli esterni come la luce, pressione o temperatura. Lo spin switch conferisce alle molecole SCO eccellenti capacità e funzionalità per l'implementazione nella nanoelettronica. Però, il loro carattere isolante impedisce finora di sfruttare appieno queste molecole. Diversi gruppi hanno incorporato molecole SCO in matrici di materiale conduttivo, ma i risultati non sono completamente compatibili con i requisiti dei dispositivi su scala nanometrica.

Un sistema innovativo per incorporare efficacemente le molecole SCO nei materiali conduttivi consiste nell'introdurli all'interno di nanotubi di carbonio conduttivi. I nanotubi di carbonio sono materiali unidimensionali (1D), forte, leggero e, più importante, fili miniaturizzati ad alta conduttività elettrica, tipicamente 1-5 nanometri di diametro, ma fino a centimetri di lunghezza. Per la prima volta, un gruppo di ricercatori dell'IMDEA Nanociencia ha incapsulato molecole SCO a base di Fe all'interno di nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio a parete singola agiscono come dorsali conduttrici che trasportano, proteggere e rilevare lo stato di spin SCO delle molecole, e supera i loro inconvenienti isolanti.

I ricercatori, guidato dal Prof. Emilio M. Pérez, Dott. José Sanchez Costa e Dott. Enrique Burzurí, ha studiato il trasporto di elettroni attraverso singoli nanotubi di carbonio incorporati in transistor su nanoscala mediante dielettroforesi. Hanno trovato un cambiamento nella conduttanza elettrica del nanotubo che viene modificato dallo stato di spin delle molecole SCO incapsulate. La transizione tra i due stati di conduzione è innescata da un interruttore termico che risulta non simmetrico:il punto di temperatura di transizione non è lo stesso in discesa che in salita del termometro. Questo fatto apre un'isteresi non presente nei campioni cristallini, e sorgono molte interessanti potenziali applicazioni per il sistema ibrido:"Questi sistemi sono come elementi di mini-memoria su scala nanometrica, in quanto presentano un ciclo di isteresi con variazione di temperatura. Potrebbero anche fungere da filtro dello spin (una richiesta di dispositivi spintronici) perché il nanotubo "sente" se la molecola ha spin o meno" commenta il dott. Burzurí.

I risultati sperimentali sono supportati da calcoli teorici dei ricercatori dell'Universidad de Sevilla. Durante la commutazione, cambiano gli orbitali delle molecole SCO e quindi la loro ibridazione con il nanotubo di carbonio, che a sua volta modifica la conducibilità elettrica di quest'ultimo. Le molecole SCO nel loro stato a basso spin hanno un'interazione più forte con i nanotubi; è più difficile per loro cambiare il loro stato di spin e questo si traduce in un "salto" nella conduttività del nanotubo ad una certa temperatura, a seconda dello stato di rotazione iniziale.

Questo primo incapsulamento di molecole SCO all'interno di nanotubi di carbonio a parete singola è un risultato di ricerca fondamentale che aiuta a comprendere il comportamento di queste molecole quando confinate in spazi molto piccoli, e fornisce una struttura portante per la loro lettura e posizionamento nei nanodispositivi. Gli autori sperano che tale ibrido misto-dimensionale (0D-1D) possa sfruttare le migliori proprietà dei loro materiali costituenti, sfruttando lo stato di spin come un altro grado di libertà. Questo minuscolo filo e interruttore può essere prodotto su scala preparativa e può rappresentare un passo importante nello sviluppo di sistemi magnetici su scala nanometrica.