Il materiale “miracoloso” per la spintronica: come cambieranno smartphone e pc?

APPROFONDIMENTO – Un nuovo materiale promette di aprire nuove frontiere nella spintronica, la rivoluzionaria elettronica del futuro. Lo stato di spin dell’elettrone, proprio come il codice binario, ha due valori: “up” e “down”, analoghi dello “0” e “1”, permettendo così di trasportare informazioni digitali a velocità superiore di quella permessa dalla tecnologia al silicio dei transistor moderni e con dimensioni sempre minori. Il problema fino ad oggi è stato quello di trovare un materiale adatto per realizzare pc e smartphone basati sulla spintronica e che soddisfacesse due caratteristiche: la possibilità di controllare la direzione di spin dell’elettrone e uno spin “lifetime”, cioè un ciclo di vita, sufficientemente lungo da permettere il passaggio dell’informazione.

I ricercatori dell’università dello Utah-led, guidati da Sarah Li e Z. Valy Vardeny, hanno scoperto un nuovo materiale e hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Physics. Si tratta delle perovskiti ibride organiche-inorganiche, un materiale che viene già ampiamente utilizzato per la realizzazione delle celle fotovoltaiche, dove ha un’altissima efficienza nella conversione della luce solare in elettricità, e che ha mostrato le proprietà intrinseche fondamentali di cui la spintronica ha bisogno per diventare una realtà.

Cos’è la spintronica?

Lo spin è una grandezza quantistica che viene associata a un elettrone e ne indica il momento angolare intrinseco, cioè la rotazione che la particella compie su sé stessa. Questa grandezza può assumere solo due valori: +1/2 e -1/2, dove i segni tengono conto delle due possibili orientazioni che possono essere rispettivamente “up”, quindi verso l’alto, o “down”, quindi verso il basso. Gli elettroni possono quindi essere immaginati come dei piccoli magneti che orbitano intorno ai nuclei degli elementi, proprio come la Terra fa col Sole, e hanno un proprio orientamento di spin relativo al nucleo, che può essere allineato nelle due direzioni.

Il fatto che lo spin assuma solo questi due valori lo rende il candidato ideale per codificare informazioni, in analogia con il codice binario che utilizza i bit 0 e 1. Da qui nacque l’idea di una nuova elettronica, chiamata spintronica, dove invece di archiviare le informazioni su un dispositivo a memoria magnetica che usa il flusso e il riflusso della corrente elettrica in transistor al silicio, le cui dimensioni non possono essere miniaturizzate a piacere, si punta direttamente alla proprietà intrinseche dell’elettrone, che è così in grado di processare esponenzialmente più dati di qualsiasi dispositivo “semplicemente” elettronico. Sarah Li, professoressa associata della Utah-led e autrice dello studio, ha spiegato:

“Si tratta di una classe di dispositivi che da sempre gli scienziati vorrebbero realizzare, ma ci sono ancora grosse sfide da affrontare, come la ricerca dei materiali che possano essere facilmente manipolati e che al tempo stesso tempo abbiamo un ciclo di vita di spin lungo. Ma nel caso di questo materiale, le sue stesse proprietà soddisfano entrambe le esigenze”.

La caccia al materiale “miracoloso”

I ricercatori della Utah-led hanno così iniziato la loro caccia al materiale “miracoloso” che rispondesse alle due caratteristiche fondamentali per la realizzazione di un dispositivo spintronico e alla fine lo hanno trovato. Si tratta della perovskite ibrida organica-inorganica, un materiale già molto conosciuto nella comunità scientifica per la sua incredibile efficienza nel convertire la luce solare in energia elettrica. Questo materiale, infatti, ha mostrato un’efficienza di conversione elettrica del 22,1%: converte in corrente elettrica quasi un quarto dell’energia solare che lo raggiunge.

Oltre ad essere incredibilmente efficiente, spiega la Li, questo materiale possiede anche un ciclo di vita inaspettatamente lungo e quindi adatto alla spintronica, anche se la composizione chimica lo rendeva un candidato improbabile: la perovskite ibrida organica-inorganica infatti è composta da elementi pesanti, motivo per cui gli scienziati ritenevano che avesse un ciclo di vita breve, ma allo stesso tempo più pesante è un atomo e più è facile manipolare il suo spin.

D’altronde, dicono i ricercatori, sintonizzare lo spin di un elettrone è come accordare una chitarra, ma viene fatto con un laser e molti specchi. Come prima cosa gli scienziati hanno realizzato un film sottile di perovskite ibrida con ioduro di metilammonio e piombo, CH3NH3PbI3, e l’hanno posizionato davanti ad un laser ultraveloce che sparava impulsi di luce molto corti per 80 milioni di volte al secondo. In questo modo la luce ha permesso l’orientamento dello spin elettronico ed è stato possibile osservare la precessione dello spin nel materiale.

L’esperimento ha diviso il laser in due fasci: il primo colpiva il film per impostare lo spin elettronico nella direzione desiderata. Il secondo fascio invece è stato curvato attraverso una serie di specchi, proprio come si accade per una pallina in un flipper, prima di colpire il film di perovskite a intervalli di tempo crescenti per misurare quanto a lungo l’elettrone mantiene lo spin della direzione impostata.

I ricercatori hanno scoperto così che la perovskite ha un ciclo di vita sorprendentemente lungo, di alcuni nanosecondi. Lo spin si inverte diverse volte in un nanosecondo, condizione ideale per immagazzinare e manipolare un enorme numero di informazioni digitali. Il passo seguente, una volta accertato che il ciclo di vita era abbastanza lungo, è stato quello di manipolare lo spin usando un campo magnetico, come ha spiegato la Li:

“Lo spin si comporta come una bussola, che quando si trova in un campo magnetico ad essa perpendicolare si allinea e smette di ruotare. Se tu imposti lo spin su “up” e lo chiami “1”, quando esponi l’elettrone al campo magnetico lo spin cambia direzione. Se ruota di 180 gradi, si sposta in “0”. Se ruota di 360 gradi, va da 1 a 1”.

I ricercatori hanno inoltre scoperto che esponendo l’elettrone a diverse intensità di campo magnetico, lo spin in un solo turno può ruotare anche 10 volte. Una caratteristica che agli occhi degli scienziati mostra enormi potenzialità, dato che potrebbe elaborare i dati più velocemente e aumentare la memoria ad accesso causale.

Dai transistor al silicio alla spintronica: cosa cambia?

La moderna tecnologia su cui si basano basano smartphone, computer e altri dispositivi elettronici si avvale di transistor al silicio, il cui compito è quello di gestire il flusso della corrente elettrica, proprio come se fossero piccole dighe. Ma più i dispositivi diventano piccoli e compatti, più il compito dei transistor si fa difficile, dato che la corrente elettrica deve essere gestita in aree sempre più piccole e questo rappresenta un grosso limite, come spiega Vardeny:

“La tecnologia al silicio, basata solo sulla carica dell’elettrone, sta raggiungendo un limite di dimensioni. Prendiamo i fili, le loro dimensioni sono già piccole e se le riduciamo ancora il comportamento non sarà più quello classico che conosciamo. Gli scienziati si chiedono ‘Come posso incrementare l’ammontare delle informazioni in un’area così piccola?’. Cosa possiamo fare per oltrepassare questo limite? La spintronica è la risposta”.

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