Con i moderni dispositivi elettronici che si avvicinano ai limiti della legge di Moore e la continua sfida della dissipazione di potenza nella progettazione di circuiti integrati, è necessario esplorare tecnologie alternative oltre all'elettronica tradizionale. La spintronica rappresenta uno di questi approcci che potrebbe risolvere questi problemi e offrire il potenziale per realizzare dispositivi a basso consumo.
Una collaborazione tra gruppi di ricerca guidati dal professor Barbaros Özyilmaz e dal professore assistente Ahmet Avsar, entrambi affiliati al Dipartimento di Fisica e al Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università Nazionale di Singapore (NUS), ha ottenuto un risultato significativo scoprendo l'altamente natura del trasporto di spin anisotropico del fosforo nero bidimensionale.
I risultati sono stati pubblicati in Nature Materials .
In contrasto con il movimento convenzionale della carica nei dispositivi elettronici, la spintronica si concentra su dispositivi pionieristici che manipolano la proprietà intrinseca degli elettroni nota come “spin”. Similmente alle cariche degli elettroni, lo spin conferisce agli elettroni una qualità rotazionale come se ruotassero attorno a un asse, facendoli comportare come minuscoli magneti, che hanno sia una grandezza che una direzione.
Lo spin dell'elettrone può esistere in uno dei due stati, indicati come spin "su" o spin "giù". Questo è analogo alla rotazione in senso orario o antiorario.
Mentre i dispositivi elettronici tradizionali funzionano spostando le cariche attorno al circuito, la spintronica opera manipolando lo spin degli elettroni. Questo è importante perché lo spostamento delle cariche elettriche attorno ai circuiti elettrici tradizionali provoca necessariamente la perdita di una certa potenza sotto forma di calore, mentre il movimento di rotazione non dissipa intrinsecamente altrettanto calore. Questa caratteristica potrebbe potenzialmente consentire il funzionamento del dispositivo a basso consumo.
I ricercatori sono particolarmente interessati all'utilizzo di materiali al limite dello spessore atomico per studiare le proprietà dei "canali" di spin, che sono come fili che possono facilitare il trasporto degli spin.
Sottolineando l'importanza della scelta dei materiali nei dispositivi spintronici, il prof. Özyilmaz ha affermato:"La scelta del materiale giusto è fondamentale nella spintronica. I materiali dei canali di spin altamente performanti e funzionali sono la spina dorsale dei dispositivi spintronici, permettendoci di manipolare e controllare gli spin per diverse applicazioni."
Il fosforo nero è uno di questi materiali emergenti che sta ricevendo attenzione per le sue proprietà spintroniche favorevoli. Il fosforo nero ha una struttura cristallina increspata unica e questo significa che il comportamento dei suoi giri dipende anche dalla loro direzione.
Il professor Avsar ha affermato:"Il fosforo nero mostra un trasporto di spin altamente anisotropo, deviando dal normale comportamento isotropo osservato nei materiali convenzionali con canali di spin. La sua struttura cristallina conferisce caratteristiche direzionali al trasporto di spin, offrendo nuove possibilità per il controllo dei dispositivi spintronici."
I ricercatori hanno fabbricato valvole di spin ultrasottili a base di fosforo nero, incapsulate tra strati esagonali di nitruro di boro. L'anisotropia del trasporto di spin è stata studiata iniettando spin nel fosforo nero a un'estremità del dispositivo e misurando il segnale di spin all'altra estremità alterando la direzione della corrente di spin.
Le misurazioni sono state condotte applicando un forte campo magnetico perpendicolare allo strato di fosforo nero e confrontandolo con quelle quando viene applicato un campo magnetico debole.
I ricercatori hanno osservato che l’applicazione di un forte campo magnetico determinava un notevole aumento del segnale di spin. Questo effetto deriva dalla struttura cristallina increspata, poiché il forte campo magnetico costringe gli spin a puntare fuori dal piano del materiale, alterando la loro interazione con l'ambiente circostante e aumentando la loro durata di un fattore sei.
Questo studio rivela anche che il fosforo nero ultrasottile presenta una durata di spin di nanosecondi regolabile elettricamente utilizzando un back-gate. L'eccezionale anisotropia dello spin, unita alla capacità di modulare elettricamente il trasporto dello spin, consente di creare nuovi dispositivi che non sono controllati esclusivamente dallo stato binario dello spin (su o giù), ma sfruttano anche l'anisotropia dello spin per ottenere il controllo direzionale.
Ciò posiziona il fosforo nero come una piattaforma unica per una manipolazione superiore degli spin:un progresso fondamentale nel regno della spintronica.
Ulteriori informazioni: Luke Cording et al, Trasporto di spin altamente anisotropo nel fosforo nero ultrasottile, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01779-8
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università Nazionale di Singapore
