Nella spintronica, il momento magnetico degli elettroni (spin) viene utilizzato per trasferire e manipolare le informazioni. Un circuito logico di spin 2D ultracompatto potrebbe essere costruito con materiali 2D in grado di trasportare le informazioni di spin su lunghe distanze e fornire anche una forte polarizzazione di spin della corrente di carica. Esperimenti dei fisici dell'Università di Groningen (Paesi Bassi) e della Colombia University (Stati Uniti) suggeriscono che il grafene magnetico può essere la scelta definitiva per questi dispositivi logici di spin 2D poiché converte in modo efficiente la carica in corrente di spin e può trasferire questa forte polarizzazione di spin su lunghe distanze. Questa scoperta è stata pubblicata il 6 maggio in Nanotecnologia della natura .

I dispositivi Spintronic promettono alternative ad alta velocità e risparmio energetico per l'elettronica attuale. Questi dispositivi utilizzano il momento magnetico degli elettroni, i cosiddetti spin ("su" o "giù") per trasferire e memorizzare informazioni. Il continuo ridimensionamento della tecnologia della memoria richiede dispositivi spintronici sempre più piccoli e quindi cerca materiali atomicamente sottili che possano generare attivamente grandi segnali di spin e trasferire le informazioni di spin su distanze micrometriche.

Grafene

Da oltre un decennio, il grafene è stato il materiale 2D più favorevole per il trasporto di informazioni di spin. Però, il grafene non può generare da solo la corrente di spin a meno che le sue proprietà non vengano opportunamente modificate. Un modo per ottenere ciò è farlo agire come un materiale magnetico. Il magnetismo favorirebbe il passaggio di un tipo di spin e quindi creerebbe uno squilibrio nel numero di elettroni con spin up contro spin down. Nel grafene magnetico, ciò comporterebbe una corrente altamente polarizzata in spin.

Questa idea era stata ora confermata sperimentalmente dagli scienziati del gruppo Physics of Nanodevices guidato dal prof. Bart van Wees dell'Università di Groninga, Istituto Zernike per i materiali avanzati. Quando hanno portato il grafene nelle immediate vicinanze di un antiferromagnete a strati 2D, CrSBr, potrebbero misurare direttamente una grande polarizzazione di spin della corrente, generato dal grafene magnetico.

Spin-logica

Nei dispositivi spintronici convenzionali a base di grafene, elettrodi ferromagnetici (cobalto) vengono utilizzati per iniettare e rilevare il segnale di spin nel grafene. In contrasto, in circuiti costruiti da grafene magnetico, l'iniezione, il trasporto e il rilevamento degli spin possono essere eseguiti dal grafene stesso, spiega Talieh Ghiasi, primo autore del saggio. "Rileviamo una polarizzazione di spin eccezionalmente grande della conduttività del 14% nel grafene magnetico che dovrebbe anche essere sintonizzabile in modo efficiente da un campo elettrico trasversale". Questo, insieme alle eccezionali proprietà di trasporto di carica e spin del grafene consente la realizzazione di circuiti logici di spin 2D interamente in grafene in cui il solo grafene magnetico può iniettare, trasportare e rilevare le informazioni di rotazione.

Inoltre, l'inevitabile dissipazione del calore che avviene in qualsiasi circuito elettronico è avvantaggiata in questi dispositivi spintronici. "Osserviamo che il gradiente di temperatura nel grafene magnetico dovuto al riscaldamento Joule viene convertito in corrente di spin. Ciò avviene per l'effetto Seebeck dipendente dallo spin che si osserva anche nel grafene per la prima volta nei nostri esperimenti, " afferma Ghiasi. L'efficiente generazione elettrica e termica di correnti di spin da parte del grafene magnetico promette progressi sostanziali sia per le tecnologie spintronica 2D che spin-caloritronica.

Il trasporto di spin nel grafene, per di più, è altamente sensibile al comportamento magnetico dello strato più esterno del vicino antiferromagnete. Ciò implica che tali misurazioni del trasporto di spin consentono la lettura della magnetizzazione di un singolo strato atomico. Così, i dispositivi magnetici basati sul grafene non solo affrontano gli aspetti tecnologicamente più rilevanti del magnetismo nel grafene per la memoria 2D e i sistemi sensoriali, ma forniscono anche ulteriori informazioni sulla fisica del magnetismo.

Le future implicazioni di questi risultati saranno studiate nel contesto dell'iniziativa EU Graphene Flagship, che lavora verso nuove applicazioni del grafene e dei materiali 2D.