I dispositivi a base di grafene aumentano di molto i segnali di spin

La ricerca, pubblicata su Nature Communications, descrive in che modo spin dell’elettrone erano ottenuti dall’interazione tra il doppio strato del grafene e il nitrato di boro, usati nel dispositivo. Il risultato è l’aumento del segnale di spin di cento volte, sufficiente per essere usato in applicazioni reali.

Iniezione e rilevazione dello spin

“Spin” è un termine usato per descrivere la proprietà magnetica degli elettroni, che si può rilevare come un campo magnetico con orientazioni verso su o verso giù. La scienza della spintronica cerca di sfruttare questo fenomeno e una delle sue principali applicazioni è la memorizzazione, il trasporto e la manipolazione di informazioni. Per sfruttare lo spin dell’elettrone in un dispositivo è necessario controllare la proporzione di elettroni con uno spin su o giù, una cosa detta polarizzazione dello spin. Questo è notoriamente difficile da ottenere, perché il rapporto tra su e giù rimane piccolo.

La ricerca presentata nell’articolo e basata sul lavoro del progetto GRAPHENECORE1, finanziato dall’UE e anch’esso parte del progetto decennale dell’UE Graphene Flagship avviato nel 2013, è basata sullo studio in corso del comportamento dello spin in diversi materiali. Come dice il coordinatore della ricerca, il professor Bart van Wees dell’Università di Groningen, “La polarizzazione dello spin si può ottenere facendo passare gli elettroni attraverso un materiale ferromagnetico”. Questo crea un eccesso di un tipo di spin. Lo studio ha esaminato in particolare l’iniezione dello spin – mettere gli elettroni con spin polarizzati in un dispositivo – e la rilevazione.

Il team è riuscito a dimostrare di poter rendere l’iniezione e la rilevazione degli elettroni dello spin nel grafene più efficiente usando una sovrapposizione di materiali. Al centro c’era uno strato spesso un atomo di grafene appoggiato su uno strato isolante di nitrato di boro, a sua volta sopra un semiconduttore in silicio. Sopra il grafene c’era uno strato molto sottile di nitrato di boro, spesso pochi atomi, per proteggere gli elettroni nel grafene.

“Il grafene è un ottimo materiale per il trasporto dello spin, ma non permette di manipolare gli spin,” spiega il professore. “Per iniettare spin nel grafene, è necessario farli passare da un ferromagnete attraverso un isolante di nitrato di boro con il tunneling quantico. Abbiamo scoperto che usando uno strato spesso due atomi di nitrato di boro si otteneva una polarizzazione dello spin molto forte, fino al 70 percento, 10 volte maggiore di quella ottenuta normalmente.” Con un simile aumento di dieci volte della rilevazione dello spin osservata, in totale il segnale aumentava di un fattore di 100.

Risultati inaspettati e potenziali applicazioni

Un risultato inaspettato dei dispositivi prodotti è stato che il voltaggio riusciva ad aumentare la polarizzazione, il che contraddice l’opinione prevalente secondo la quale solo i materiali ferromagnetici possono polarizzare lo spin. Sembra che la polarizzazione dello spin sia generata dal tunneling quantistico usato per iniettare spin nel grafene dei dispositivi di ricerca.

Questi risultati aprono a molte possibilità. Come ipotizza il professore, “Adesso possiamo iniettare spin nel grafene e misurarli facilmente dopo che hanno percorso una certa distanza. Si potrebbero usare come rilevatori per campi magnetici, che influiscono sul segnare dello spin”. Un’altra opzione potrebbe essere costruire un circuito logico con spin o un transistore con spin.

Uno dei principali centri di interesse del Graphene Flagship è sviluppare tecniche per ampliare la produzione di grafene di alta qualità, che integrerà anche i risultati delle sue varie iniziative per massimizzare il workflow e la qualità dei prodotti finali.

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