Spin computer: grafene, la chiave del PC del futuro

I fisici dell'Università della California hanno fatto un nuovo passo avanti nello sviluppo del cosiddetto "spin computer", ovvero soluzioni che usano lo stato spin di un elettrone (spin è il momento angolare di un corpo) per immagazzinare e processare elevate quantità di dati. Il tutto con poca energia e generando meno calore rispetto ai computer attuali. Il termine spin inquadra quindi la polarizzazione che serve a un elettrone per raggiungere un orientamento direzionale. Uno spin ha due forme - spin up e spin down - e permette di archiviare più dati rispetto all'elettronica attuale.

I ricercatori hanno raggiunto quella che è stata definita "tunneling spin injection" nel grafene. La Tunneling spin injection è un termine che descrive la conduttività attraverso un isolante. Il grafene è uno strato bidimensionale di atomi di carbonio altamente legati e disposti in ordine esagonale. Grazie a specifiche proprietà elettroniche, il grafene è considerato il materiale chiave per l'elettronica di consumo di prossima generazione.

"Il grafene ha le migliori caratteristiche di trasporto spin di qualsiasi altro materiale a temperatura ambiente, il che lo rende un candidato promette per l'uso negli spin computer. Tuttavia la spin injection elettrica da un elettrodo ferromagnetico nel grafene è inefficiente. Un problema persino maggiore è che la durata degli spin osservata è migliaia di volte più breve delle aspettative teoriche. Avremmo preferito una maggiore durata degli spin perché più lunga è, più calcoli si possono eseguire", ha spiegato Roland Kawakami, professore associato di fisica e astronomia, che ha guidato il team di ricerca.

Per risolvere i problemi incontrati, il team di ricercatori ha inserito uno strato isolante spesso un nanometro, conosciuto come "tunnel barrier", tra l'elettrodo ferromagnetico e lo strato di grafene. L'efficienza della spin injection è, di conseguenza, cresciuta di ben 30 volte anche grazie al fatto l'isolante ha agito come "una valvola a senso unico, permettendo al flusso di elettroni di scorrere in un'unica direzione - dall'elettrodo al grafene - e non in quella opposta". "Questo risultato, contrario a ogni logica, è la prima dimostrazione di tunneling spin injection all'interno del grafene. Ora abbiamo valori da record del mondo" ha dichiarato Mr. Kawakami.

Il team di fisici ha anche fatto una scoperta inattesa che spiega il motivo della durata ridotta dello spin degli elettroni nel grafene. Durante un esperimento, conosciuto come misura di Hanle, posizionando la tunnel barrier tra il rilevatore di spin ferromagnetico e il grafene, la misura di Hanle è cresciuta fino a 500 picosecondi (rispetto al tipico valore di 100 picosecondi), senza che i ricercatori abbiano operato sul grafene.

Secondo il professore con il grafene è possibile allungare la durata degli spin fino a microsecondi. Inserire barriere isolanti nel grafene, però, non è semplice. L'isolante tende a formare grumi sul foglio di grafene, a causa della riluttanza di quest'ultimo a formare legami resistenti con i materiali. Per aggirare il problema il foglio di grafene è stato sovrapposto a uno di titanio usando un metodo chiamato "molecular beam epitaxy". Lo strato di titanio impedisce agli isolanti di formare grumi sul grafene e di scivolarvi sopra.