I dispositivi spintronici ad alta efficienza energetica stanno per essere realizzati grazie a un nuovo meccanismo previsto dai fisici RIKEN per la conversione tra vortici di corrente elettrica e corrente di spin.

Oltre alla sua carica elettrica negativa, un elettrone ha una proprietà nota come spin, che può assumere uno dei due valori:su o giù. Proprio come la carica di un elettrone viene sfruttata per l'elaborazione delle informazioni in elettronica, quindi il flusso di spin potrebbe essere utilizzato nel campo emergente della spintronica. Spintronics ha il vantaggio di essere più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all'elettronica convenzionale poiché, a differenza di una corrente elettrica, una corrente di spin non genera calore Joule.

Un meccanismo efficiente per convertire una corrente elettronica in una corrente di spin e viceversa è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi spintronici.

Ora, utilizzando simulazioni numeriche, Sadamichi Maekawa e Seiji Yunoki, entrambi dal RIKEN Center for Emergent Matter Science, insieme ai loro collaboratori hanno dimostrato la conversione di una corrente di spin in un vortice rotante di corrente di carica (Fig. 1).

Il team ha avuto l'idea di sfruttare l'effetto Rashba, un fenomeno insolito scoperto nel 1959. Si verifica in alcune superfici o nelle interfacce tra due materiali, dove la struttura atomica non è più simmetrica. L'effetto Rashba fa interagire lo spin di un elettrone e il movimento orbitale.

"L'accoppiamento spin-orbita è un effetto relativistico che mescola lo spin e il movimento orbitale degli elettroni, " spiega Maekawa. "L'accoppiamento Rashba è importante nelle strutture di interfaccia dell'ossido e in alcuni materiali bidimensionali, dove produce vari nuovi fenomeni topologici utili per la spintronica."

Maekawa e i suoi collaboratori hanno utilizzato simulazioni al computer su larga scala per modellare cosa accadrebbe quando una corrente di spin viene iniettata in un materiale Rashba tramite un contatto elettrico di dimensioni puntiformi. Il team ha considerato una disposizione in cui la direzione delle rotazioni è perpendicolare al materiale Rashba, e le loro simulazioni hanno indicato che ciò creava un flusso rotante di corrente di carica. Questo è il risultato di una legge fondamentale che il momento angolare deve essere sempre conservato, e quindi la giunzione converte il momento angolare di spin iniettato principalmente nel momento angolare orbitale del vortice corrente.

"Nell'elettronica, la dinamica degli elettroni è tutto:sia flusso diffusivo che idrodinamico, o turbolento, movimento, " dice Maekawa. Tuttavia, in spintronica finora è stato considerato solo il flusso diffusivo di elettroni. "Con la generazione di vortici di corrente di carica, il nostro lavoro mostra la possibilità della spintronica idrodinamica, che estende la spintronica per includere il regime idrodinamico degli elettroni."