Grazie al germanio,passo avanti verso utilizzazione spin in circuiti elettronici



Milano, 17 maggio 2017 – Nel numero del 21 aprile della rivista Physical Review Letters, ricercatori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano hanno dimostrato che nel germanio, un semiconduttore simile al silicio, la distanza alla quale gli elettroni possono essere trasferiti senza che il loro spin si degradi significativamente è inaspettatamente lunga. Si tratta di alcune decine di millesimi di millimetro, una distanza cioè piuttosto grande rispetto alle dimensioni tipiche dei transitor in un moderno circuito integrato.

Immagine 1 - Un miglior spin in elettronica. Un ostacolo importante alla continua miniaturizzazione dei chip elettronici è rappresentato dalla necessità di interconnessioni che producono meno calore. Si potranno ottenere dei progressi attraverso i dispositivi che sfruttano effetto Hall quantistico di Spin per spostare le informazioni utilizzando lo spin dell'elettrone, piuttosto che la carica elettrica. [Credit image: Getty Images/tcareob72]

Questa osservazione rende più realistica la prospettiva di utilizzare lo spin in circuiti elettronici. L’importanza di questo risultato è stata sottolineata da Physical Review Focus, la rivista divulgativa online dall’Associazione Americana di Fisica, cha ha dedicato un lungo commento al lavoro dei ricercatori del Politecnico di Milano.

In un dispositivo elettronico l’informazione viene trasferita da un elemento del circuito all’altro grazie alla carica elettrica trasportata da correnti di elettroni. Oltre che di carica elettrica ogni elettrone è tuttavia dotato anche di un’ulteriore proprietà fondamentale messa in evidenza dalla fisica quantistica: lo spin. Questa proprietà fa sì che un elettrone si comporti come un minuscolo ago magnetico.

Da alcuni anni la comunità scientifica si sta impegnando a utilizzare anche questa caratteristica dell’elettrone in dispositivi capaci di sfruttare sia le proprietà elettriche sia le proprietà magnetiche delle singole cariche e che saranno quindi capaci di svolgere molte più funzioni degli odierni transistor.

Esiste tuttavia un’importante differenza fra spin e carica elettrica: mentre tutti gli elettroni hanno la stessa carica, il loro spin può avere due diverse configurazioni: quella in cui il “polo nord” punta verso l’alto è chiamata “spin-up”, mentre nel caso contrario è detta “spin-down”. Il risultato è che una corrente di cariche elettriche mantiene costante il proprio valore mentre scorre all’interno di un materiale, mentre una “corrente di spin”, costituita da elettroni con lo spin allineato lungo la stessa direzione (a sinistra nella figura), si attenua nel tempo.

Infatti, a causa degli urti che gli elettroni subiscono con il materiale e che possono invertirne lo spin, dopo poco tempo (si parla di pochi nanosecondi, ovvero di pochi miliardesimi di secondo) metà degli elettroni si troverà nello stato “spin up” e metà nello stato “spin down” e la corrente di spin sarà completamente azzerata (a destra nella figura).

Decaying spin current. Credit: PolimiImmagine 2 - Decaying spin current. Credit: Polimi

Questa caratteristica delle correnti di spin limita la distanza alla quale l’informazione associata allo spin stesso può essere trasferita e costituisce un severo limite per la realizzazione di dispositivi che combinino funzionalità elettroniche e magnetiche.

Il team del Politecnico ha individuato un materiale, il germanio, nel quale le correnti di spin possono essere trasmesse a distanze comparativamente grandi rispetto alle dimensioni tipiche di un dispositivo elettronico, dimostrando che questo semiconduttore, compatibile con le attuali tecnologie a base silicio, potrà effettivamente trovare impiego nella realizzazione di dispositivi di nuova generazione dove l’informazione potrà essere veicolata anche dallo spin.