Intervista Ivana Vobornik: da superfici materiali a innovazioni nanotecnologiche


Un studio coordinato dall’Università di St. Andrews (Uk) e svolto in collaborazione con l’Iom-Cnr di Trieste, il Max Planck Institute di Dresda e l’Università di Heidelberg ha mostrato come implementare, grazie alle proprietà energetiche delle superfici, l’efficienza di dispositivi che fanno uso della spintronica. Il lavoro, pubblicato su Nature, aprirà la strada a innovazioni nel campo delle nanotecnologie.

Abbiamo chiesto a Ivana Vobornik (ricercatore e autore dello studio) di spiegarci nel dettaglio l'importanza dello studio.

1) Ivana Vobornik è ricercatrice presso Istituto officina dei materiali Iom-Cnr di Trieste e coautrice di uno studio pubblicato sulla rivista Nature. Qual è nel dettaglio il suo lavoro e lo specifico ambito di ricerca? Durante la sua carriera come ricercatrice qual è stato il motivo (o i motivi) che l’hanno spinta a studiare le proprietà elettroniche delle superfici dei materiali?

Veda risposta alla domanda 2.

Foto 1 - Ivana Vobornik nel laboratorio CNR-IOM di Trieste.Foto 1 - Ivana Vobornik nel laboratorio CNR-IOM di Trieste.

 

2) La sua attività di ricerca sembra essere focalizzata sullo studio delle proprietà elettroniche di sistemi elettronici altamente correlati, sugli isolatori, sui sistemi elettronici bidimensionali, sul magnetismo, sulla spintronica ecc., può spiegarci nel dettaglio in cosa consistono le attività di ricerca che vengono svolte presso l’Istituto Officina dei materiali del CNR e quali sono i campi di applicazione?

 

Rispondo insieme alle prime due domande:

Io sono una ‘beamline scientist’, cioè lavoro presso una linea di luce (linea APE, gestita da CNR-IOM) del sincrotrone Elettra a Trieste. In un sincrotrone elettroni sono accelerati alle velocità prossime alla velocità di luce e forzati a compiere orbite circolari emettendo così la radiazione. Nella mia ricerca utilizzo la radiazione prodotta da Elettra per studiare le proprietà elettroniche dei materiali. Con la luce di Elettra illuminiamo i campioni; gli elettroni al loro interno l’assorbono e guadagnano energia per poter uscire da materiale portando con se l’informazione sul loro stato al interno. Così otteniamo una informazione diretta relativa allo stato del materiale dal punto di vista elettronico: impariamo se è un buono o cattivo conduttore, un semiconduttore, oppure un isolante. Siccome gli elettroni nel processo possono perdere energia, interagendo con altri costituenti della materia, noi perlopiù otteniamo informazione da quelli che provengono dai primi strati del materiale (la superficie e qualche strato sotto). Per gran parte la superficie è abbastanza rappresentativa di quello che succede al interno del materiale, ma proprio per il motivo che l’ordine che esiste al interno un materiale è interrotto in superficie, le superfici spesso ospitano nuovi stati elettronici (assenti al interno). Negli ultimi anni proprio gli stati di superficie di una certa tipologia di materiali hanno attirato la maggior considerazione causa la possibilità di realizzare trasporto balistico, cioè senza resistenza e quindi senza la perdita di energia.

 

3) Recentemente sulla rivista Nature è stato pubblicato lo studio “Maximal Rashba-like spin splitting via kinetic-energy-coupled inversion-symmetry breaking” riguardante la simmetria di inversione nei solidi. Ci spiega che cos’è la simmetria di inversione e perché si sta cercando di massimizzarne gli effetti sugli stati elettronici della materia? Inoltre ci spiega nel dettaglio in cosa consiste il meccanismo della rottura della simmetria di inversione illustrato nello studio pubblicato recentemente su Nature?

 

Le superfici di tutti i materiali hanno proprietà energetiche differenti dal interno causa la rottura del ordine periodico degli atomi che esiste al interno di un cristallo (per immaginarsi un ordine periodico si può pensare a una scatola di biglie ben ordinate oppure una bancarella di mercato con le arance in bella mostra). Per questo motivo spesso anche le proprietà elettroniche delle superfici sono differenti rispetto al interno e possono addirittura essere ‘di disturbo’, visto che per utilizzare un materiale dobbiamo in qualche modo interfacciarlo con gli altri materiali (per realizzare un contatto elettrico, per esempio) e nel questo interfacciare possiamo perdere oppure diminuire qualche proprietà del sistema che esiste al interno. Ultimamente però sono stati scoperti dei materiali cosiddetti ‘topologici’ dove proprio sulle superfici gli elettroni si propagano senza resistenza, cioè senza la perdita d'energia e in più questi elettroni sono con lo spin di un solo tipo in funzione della direzione in cui si propagano (e qui arriva il collegamento con la spintronica (domanda 5)).

Foto 2 - vista aerea del Sincrotrone Elettra e laboratorio CNR-IOM con Trieste in sfondo, Credits: Elettra Sincrotrone Trieste, il fotografo è Gabriele Crozzoli.Foto 2 - vista aerea del Sincrotrone Elettra e laboratorio CNR-IOM con Trieste in sfondo, Credits: Elettra Sincrotrone Trieste, il fotografo è Gabriele Crozzoli.

4) Prima della ricerca, coordinata dall’Università di St. Andrews (Uk) e svolta in collaborazione con l’istituto Officina dei materiali (Iom) del Cnr, il Max Planck Institute di Dresda e l’Università di Heidelberg qual era lo stato della ricerca scientifica in tale specifico campo? Quali erano i problemi irrisolti? Quali obiettivi sono invece stati raggiunti grazie al vostro studio?

7) Ci spiega in che modo il vostro approccio rappresenta un’innovazione tecnologica nel campo della spintronica? Saranno necessari ulteriori esperimenti per verificare il potenziale del vostro nuovo approccio?

Nella ricerca dei materiali topologici dove il processo della separazione in spin avviene in modo naturale spesso, per i motivi delle interazioni al interno dei materiali che producono questa separazione in superficie, ci si orientava verso utilizzo dei metalli pesanti, tipicamente tossici come piombo, mercurio etc, dimenticandosi del fatto che la rottura del cristallo che avviene sulla superficie ha un ruolo altrettanto importante nel processo. Nella nostra ricerca abbiamo individuato che la stessa separazione in spin si può trovare anche nei materiali più leggeri (e di conseguenza meno tossici, come, nel nostro caso, un particolare ossido di cobalto) individuando fortuita combinazione delle interazioni che producono la separazione in spin.

 

5) Ci spiega cosa sono i dispositivi spintronici? Può farci un esempio tangibile di dispositivo spintronico?

 

Quando parliamo della spintronica parliamo del utilizzo dello spin di un elettrone piuttosto che della sua carica nei dispositivi tradizionalmente chiamati elettronici. Spin può essere immaginato come una specie di momento magnetico che si può manipolare con i campi magnetici (piuttosto che elettrici) esterni. Qui però noti bene che siccome gli elettroni sono le particelle con la carica e con lo spin, anche campi elettrici infine indirettamente agiscono sullo spin.

Sempre basandosi sull'analogia con un magnete macroscopico dove abbiamo due poli opposti (nord e sud) così anche spin assume solo due valori chiamati 'up' e 'down'. Siccome tutta l'informazione viene digitalizzata in modo binario come una combinazione dei uni e dei zeri (i bit), si può immaginare di realizzare queste combinazioni di '1' e '0' combinando gli spin 'up' e 'down' e in effetti esiste un campo di ricerca spintronica molto attivo relativo alla logica di spin (spin logic).

Per quanto riguarda le applicazioni correnti, le cito e riassumo l'articolo su Wikipedia (https://it.wikipedia.org/wiki/Spintronica): Un esempio di dispositivo spintronico è costituito dalle testine di lettura degli hard disk, basate sull'effetto quantistico noto come magnetoresistenza gigante" (cioè la proprietà dei materiali nano-strutturati di cambiare la loro resistenza in modo significativo nella presenza di un campo magnetico esterno). La struttura della testina è realizzata in modo che al passaggio di corrente si manifesta una resistenza elettrica variabile a seconda che sia stato registrato un "1" logico oppure uno "0" logico.

 

6) I dispositivi spintronici di nuova generazione in cosa si differenziano rispetto a quelli attualmente in uso? Tali dispositivi saranno più efficienti dal punto di vista energetico? In che modo funzioneranno? Ovvero verranno utilizzati nuovi materiali con un particolare numero quantico di spin?

 

Come già detto prima, nei nuovi sistemi spintronici cercheremo di sfruttare le proprietà delle superfici dei materiali cosiddetti ‘topologici’ dove gli elettroni si propagano senza resistenza, cioè senza la perdita d'energia (perciò con un ovvio risparmio) e dove lo spin è di un solo tipo in funzione della direzione in cui gli elettroni si propagano (veda anche la risposta precedente).

 

8) Quali sono le possibili applicazioni del vostro studio? A parte l’informatica, quali settori disciplinari potrebbero venire coinvolti dai risultati del vostro studio?

 

Al momento il campo principale delle possibili applicazioni rimane informatica, dove va sfruttata sia la ridotta dimensionalità (con le superfici si intende il primo o alcuni strati atomici) sia l’ovvio risparmio energetico citato prima.



Newsletter

Resta informato con le nostre notizie periodicamente

Cliccando sul pulsante iscriviti acconsenti al trattamento dei tuoi dati. La tua email non verrà MAI ceduta a nessuno!