Spintronica e superconduttori per il futuro del calcolo ad alte prestazioni

SCOPERTE – Se la tecnologia al silicio è ormai prossima al suo limite di calcolo, gli scienziati inseguono ormai l’obiettivo della spintronica. Una nuova elettronica dove l’informazione viene codificata dallo spin “up” e “down” dell’elettrone, analogo del codice binario che usa i bit 0 e 1, e la caccia ai materiali adatti è aperta ormai. Un nuovo risultato arriva ora dal team di ricercatori dell’Università di Cambridge guidato da Mark Blamire, che ha scoperto che alcuni superconduttori sono in grado di trasportare la corrente di “spin”. Proprio dalla combinazione tra superconduttività e spin si potrà ottenere la rivoluzione del calcolo ad alte prestazioni, riducendo drasticamente il consumo di energia.

Lo spin è una grandezza quantistica che esprime il momento angolare intrinseco dell’elettrone, che può avere due orientazioni: “up” e “down”. Gli elettroni si comportano come piccoli magneti che orbitano intorno ai nuclei atomici e si allineano in una delle due direzioni. La spintronica nacque così dall’idea di sostituire l’archiviazione delle informazioni dai dispositivi a memoria magnetica, dove si utilizza il flusso della corrente elettrica in transistor al silicio, a dispositivi basati su questa proprietà intrinseca dell’elettrone.

Se infatti i dispositivi al silicio non possono essere miniaturizzati a piacere, le dimensioni dell’elettrone permettono di processare una quantità di esponenzialmente superiori rispetto ai dispositivi elettronici. Ma come trasportare le informazioni? Lo spin infatti è normalmente trasportato nei materiali non superconduttori e non magnetici dai singoli elettroni. La ricerca ora indaga i materiali migliori per il trasporto della corrente di “spin” e per la prima volta il team guidatio da Blamire è riuscito a trasportarla in un superconduttore, cioè un materiale che raffreddato a temperature prossime a 0 Kelvin perde la sua resistenza elettrica.

Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Materials, rappresenta un enorme passo avanti nel campo della spintronica. In un superconduttore convenzionale infatti gli elettroni con spin opposti sono appaiati insieme, dunque il flusso di elettroni trasporta spin pari a zero. In un precedente studio i ricercatori di Cambridge avevano dimostrato che è possibile creare delle coppie di elettroni in cui gli spin sono allineati, cioè “up-up” e “down-down”. Proprio queste coppie sono in grado di trasportare la corrente di spin con una carica netta di corrente pari a zero.

Nel nuovo studio invece i ricercatori hanno trovato un set di materiali che permettono l’allineamento di spin degli elettroni a coppie, in modo tale che la corrente fluisca più efficacemente nello stato di superconduttore che non nel “normale” stato non-superconduttore, come ha spiegato Blamire:

“Sebbene alcuni aspetti del normale stato elettronico di spin, o spintronico, siano più efficienti che nei semiconduttori elettronici standard, le applicazioni a larga scala si sono rivelate difficili da realizzare perché le grandi correnti di carica richieste per generare le correnti di spin sprecano troppa energia. Un metodo completamente superconduttivo di generare e controllare le correnti di spin offre dunque una valida soluzione a questo problema”.

I ricercatori guidati da Blamire hanno realizzato una pila multistrato di film metallici, dove ogni strato era spesso appena pochi nanometri, e hanno notato che applicandole un campo a microonde si otteneva una emissione di corrente di spin dallo strato magnetico centrale che veniva indotta anche nello strato superconduttore più vicino. L’autore dello studio ha spiegato:

“Se avessimo utilizzato un solo superconduttore, la corrente di spin avrebbe smesso di fluire una volta che il materiale fosse stato raffreddato al di sotto della sua temperatura critica. Il risultato sorprendente è stato che quando abbiamo aggiunto uno strato di platino al superconduttore, la corrente di spin nello stato superconduttivo è stata migliore che nello stato normale”.

Anche se i ricercatori sono riusciti ad osservare il trasporto di correnti di spin in un materiale superconduttore, la strada per la spintronica è tutt’altro che in discesa. Il risultato ottenuto dal team infatti è valido solo su brevi distanze e il prossimo obiettivo dei ricercatori sarà proprio quello di trovare un modo di incrementare la distanza di trasporto della corrente di spin nei materiali e di poterla controllare. Un piccolo passo per la grande rivoluzione a cui il calcolo ad alte prestazioni è destinato.

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