Il grafene rende fattibile la spintronica su piccola scala a temperatura ambiente
Fin dall’inizio, il programma Graphene Flagship ha colto il potenziale dei dispositivi spintronici fabbricati con grafene e materiali affini. Ricercatori provenienti da diverse università sono riusciti a dimostrare che è possibile manipolare le proprietà dello spin del grafene in maniera controllata a temperatura ambiente. Questi risultati suggeriscono nuove direzioni nello sviluppo di dispositivi basati sulla logica dello spin e sull’informatica quantistica. «Dato che la miniaturizzazione rappresenta un’importante forza propulsiva per l’industria elettronica, il grafene apre la strada a nuove possibilità per compattare le operazioni basate sulla logica dello spin con elementi di memoria magnetica in una singola piattaforma», rileva il professor Stephan Roche, ricercatore all’Istituto catalano di ricerca e studi avanzati (ICREA), che ha guidato il pacchetto di lavoro Spintronica dell’iniziativa Graphene Flagship fin dal suo inizio. Non si può più dare la colpa ai difetti del materiale Il grafene amplia il campo della comunicazione spintronica tra dispositivi, portandola dai nanometri ai micrometri con un basso costo energetico. Anche se le previsioni teoriche iniziali avevano calcolato durate dello spin di circa un microsecondo nel materiale, esperimenti precedenti hanno dimostrato che nel migliore dei casi esse sono pari a pochi nanosecondi. Questa sorprendente discrepanza aveva inizialmente suggerito che le impurità e i difetti del materiale fossero i principali responsabili del rilassamento dello spin. Tuttavia, i ricercatori dell’iniziativa Flagship hanno messo alla prova questi meccanismi del rilassamento dello spin concepiti in modo convenzionale e ne hanno proposti molti altri nuovi, specifici per il grafene. In particolare, hanno osservato che la velocità alla quale gli spin si rilassano in sistemi composti da grafene e dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC) dipende fortemente dal loro orientamento verso l’interno o l’esterno del piano del grafene. «Il grafene interfacciato con un TMDC potrebbe servire da filtro dello spin, visto che il trasferimento delle informazioni di quest’ultimo dipende dall’iniziale polarizzazione dello spin degli elettroni immessi, rendendo possibili nuovi concetti di spin-transistor a bassa potenza», spiega il prof. Roche. Tuttavia, il fatto più rilevante è che gli esperimenti sono stati effettuati a temperatura ambiente e sono particolarmente importanti per manipolare dall’esterno gli spin dell’elettrone nel grafene. Il commutatore definitivo Visto che il grafene è in grado di mantenere coerenza di spin per distanze sufficientemente lunghe, la sua integrazione con un altro materiale stratificato in cui lo spin si mantiene per un tempo notevolmente inferiore può portare alla fabbricazione di un dispositivo simile a un transistor a effetto di campo basato sullo spin. Combinando il grafene con il bisolfuro di molibdeno (MoS2) (in cui lo spin dura picosecondi), i ricercatori dell’iniziativa Flagship hanno dimostrato che è possibile controllare dove lo spin può andare mediante l’utilizzo di una tensione di porta. «Questa combinazione del grafene con un altro materiale 2D sottile con proprietà spintroniche contrastanti consente la creazione di un commutatore di spin», osserva il prof. Roche. I ricercatori hanno scelto il MoS2 in virtù della breve durata del suo spin, che deriva dal forte accoppiamento spin-orbita, ma soprattutto perché questa miscela di materiali funzionava a temperatura ambiente. Incrementare i segnali dello spin Dagli studi della letteratura in materia, la discrepanza nella conduttanza è stata identificata come un fattore chiave che potrebbe ridurre notevolmente l’iniezione di spin dai ferromagneti nei semiconduttori. Il gruppo di ricerca dell’iniziativa Flagship ha dimostrato di essere in grado di migliorare l’efficienza dell’iniezione e del rilevamento di elettroni con spin nel grafene, usando un sandwich di materiali formato da uno strato di nitruro di boro isolante posto tra lo strato di grafene e gli elettrodi ferromagnetici per iniezione/rilevamento dello spin. Nel dispositivo prodotto, l’incremento della polarizzazione ha raggiunto il 70 % con la tensione elettrica, mettendo in dubbio il sapere contenuto nei libri di testo secondo cui solo i ferromagneti possono influenzare la polarizzazione dello spin. Si è invece scoperto che l’effetto tunnel influisce sulla polarizzazione dello spin nei dispositivi. In particolare, lo spin ha coperto una distanza di 10 micrometri in più di 3 nanosecondi a temperatura ambiente. «L’uso del grafene e di altri materiali 2D anche per far avanzare le memorie di prossima generazione basate sul momento angolare di spin (come per esempio STT-MRAM e SOT-MRAM) è estremamente interessante e ha spronato imec a mettersi alla guida del consorzio e lavorare sulla loro integrazione su larga scala nell’ambiente fab», dice Kevin Garello, leader del pacchetto di lavoro e ricercatore di imec che guida la ricerca sui concetti di memoria magnetica avanzata emergenti.
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Svezia
