Spintronica: dispositivi, vantaggi

La spintronica,  è uno dei campi emergenti per i dispositivi nanoelettronici di prossima generazione per ridurre il consumo di energia e aumentare la memoria e le capacità di elaborazione.
In meccanica quantistica lo spin è una forma intrinseca del momento angolare trasportato da particelle elementari, particelle composte (adroni), e nuclei atomici. Il termine spintronica deriva dalla contrazione dei termini inglesi Spin e Electronics, ovvero elettronica fondata sullo spin.

Lo spin è uno dei due tipi di momento angolare in meccanica quantistica, essendo l’altra il momento angolare orbitale.

Il momento angolare orbitale è la controparte meccanica quantistica alla classica nozione di momento angolare. Si verifica quando una particella esegue una traiettoria di rotazione o torsione (ad esempio quando un elettrone orbita un nucleo).

Come un pianeta in orbita intorno al sole che ruota  attorno al proprio asse e possiede sia un momento angolare orbitale che di spin, un elettrone orbita attorno ad un nucleo  e proprio come i pianeti che possono ruotare in senso orario o antiorario, lo spin dell’elettrone può anche essere considerato in senso orario o in senso antiorario: esistono infatti due possibili rotazioni dell’elettrone con i campi magnetici ad esse associate:  + ½ e – ½ .

Vantaggi della spintronica

La spintronica (spin transport electronics) è una tecnologia emergente che  sfrutta sia lo spin intrinseco dell’elettrone che il suo momento magnetico associato, oltre alla sua carica elettronica fondamentale per ottenere dispositivi nell’ambito dell’elettronica con nuove funzionalità e performance migliori.

I vantaggi di questi dispositivi consistono in una maggiore velocità nell’elaborazione dei dati, maggiore densità di transistor rispetto a quelli convenzionali.

In questo campo della ricerca i semiconduttori semimagnetici costituiscono materiali di riferimento. In essi metalli delle terre rare o metalli di transizione sostituiscono ioni presenti nel reticolo cristallino con ottenimento di dispositivi che combinano la microelettronica standard con gli effetti dipendenti dallo spin che nascono che nascono dall’interazione dello spin del trasportatore e le proprietà magnetiche del materiale.

I dispositivi microelettronici si sono finora  basati sul controllo della carica di elettroni, sia immagazzinandola che inviandola come corrente. Tuttavia, la corrente elettrica è in realtà composta da due tipi di elettroni, “spin-up” e ” spin-down”, che  formano due correnti di spin indipendenti. Negli ultimi anni con la spintronica c’è stata una rivoluzione su come  generare, manipolare e rilevare   la corrente elettrica spin-polarizzata che rende possibili nuove classi di sensori e dispositivi logici. Questo nuovo campo della scienza e della tecnologia è ora comunemente indicato come spintronica.

Una  classe di materiali particolarmente importante è costituita da eterostrutture magnetiche  o multistrato. L’elemento fondamentale è un sandwich di due strati magnetici ultra-sottili separati da un conduttore non magnetico o da strati isolanti. Tali sandwich possono presentare variazioni enormi della conduttanza quando è modificato l’orientamento magnetico.

Dispositivi

Tutti i dispositivi spintropici seguono il schema seguente:

1)      Le informazioni sono memorizzate in spin come un orientamento particolare di spin ( su o giù)

2)      Gli spin essendo uniti a elettroni mobili portano l’informazione

3)      L’informazione è letta

L’orientamento dello spin degli elettroni di conduzione sopravvive per un tempo relativamente lungo. Ciò rende i dispositivi spintronici particolarmente adatti per le applicazioni di immagazzinamento  della memoria e per sensori magnetici.

L’uso dei semiconduttori per la spintronica è iniziato con la proposta teorica di un transistor ad effetto di campo di spin da parte del ricercatore americano Supriyo Datta nel 1990 e della risonanza di spin del dipolo elettrico da parte del fisico teorico Emmanuel I. Rashba  nel 1960.

La spintronica è uno dei campi emergenti per i dispositivi nanoelettronici di prossima generazione per ridurre il loro consumo energetico e aumentare le loro capacità di memoria ed elaborazione. Tali dispositivi utilizzano il grado di libertà di spin di elettroni e/o lacune, che possono anche interagire con i loro momenti orbitali in cui la polarizzazione di spin è controllata da strati magnetici utilizzati come polarizzatori di spin o analizzatori o tramite accoppiamento spin-orbita. 

Applicazioni della spintronica

La spintronica è una frontiera tecnologica in rapida evoluzione che si propone di andare oltre i limiti dell’elettronica tradizionale. Sfruttando lo spin degli elettroni – una proprietà quantistica legata al momento magnetico – oltre alla loro carica, la spintronica apre la strada a dispositivi più veloci, più compatti e molto più efficienti dal punto di vista energetico. Le sue applicazioni sono già visibili in diversi ambiti tecnologici, e le prospettive future sono estremamente promettenti.

Memorie magnetoresistive

Una delle prime e più significative applicazioni della spintronica si ritrova nelle memorie magnetoresistive, in particolare le MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory). Queste memorie non immagazzinano l’informazione come una carica elettrica (come avviene nelle RAM tradizionali), ma attraverso l’orientazione magnetica dei materiali ferromagnetici. Il vantaggio principale è che le MRAM sono non volatili, ossia conservano i dati anche in assenza di corrente elettrica. Inoltre, offrono tempi di accesso molto rapidi, grande resistenza all’usura e consumi energetici ridotti, risultando ideali per dispositivi portatili, sistemi integrati e applicazioni industriali.

Hard disk

Un altro campo dove la spintronica ha già avuto un impatto rivoluzionario è quello degli hard disk magnetici. Le testine di lettura moderne impiegano infatti sensori basati sull’effetto magnetoresistivo gigante (GMR), un fenomeno spintronico scoperto negli anni ’80. Questa scoperta ha permesso di aumentare in modo esponenziale la densità di dati memorizzabili su disco, contribuendo in maniera fondamentale allo sviluppo dell’informatica moderna. Non a caso, i fisici Albert Fert e Peter Grünberg ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 2007 per questa scoperta.

Spin-FET

Nel campo dell’elettronica logica, la spintronica offre nuove possibilità con lo sviluppo di transistor e circuiti logici basati sullo spin, come lo spin-FET (spin field-effect transistor). A differenza dei transistor convenzionali, che controllano il flusso di carica, questi dispositivi manipolano lo spin per controllare la conduzione elettrica, aprendo la strada a circuiti integrati più efficienti e meno soggetti al riscaldamento. Un aspetto particolarmente interessante è la possibilità di unificare, in un singolo componente, le funzioni di elaborazione e memorizzazione, superando l’attuale separazione tra CPU e memoria.

Sensori magnetici

Un ambito di grande interesse applicativo è anche quello dei sensori magnetici. Grazie alla sensibilità dello spin alla variazione di campi magnetici, la spintronica consente la realizzazione di sensori estremamente precisi. Questi trovano impiego non solo nell’elettronica di consumo e nei dispositivi mobili, ma anche nel settore automobilistico (per il controllo della posizione dei motori o del movimento delle ruote), nella medicina (per il tracciamento di strumenti come i cateteri magnetici) e nell’industria (per il monitoraggio non invasivo di apparecchiature e processi).

Computazione quantistica

La spintronica gioca anche un ruolo emergente nella computazione quantistica, dove lo spin può essere utilizzato come qubit, l’unità fondamentale dell’informazione quantistica. Il controllo preciso dello spin a livello di singolo elettrone o di nucleo atomico può portare allo sviluppo di computer quantistici più stabili e scalabili rispetto ad altre architetture.

Optospintronica

Un altro campo in via di sviluppo è quello dell’optospintronica, che combina la spintronica con l’optoelettronica. L’obiettivo è quello di manipolare lo spin attraverso impulsi luminosi, realizzando dispositivi in grado di leggere e scrivere informazioni usando la luce. Questo approccio potrebbe trovare applicazione in sistemi di comunicazione ottica ad altissima velocità o in nuovi sensori fotonici.

Infine, la spintronica sta attirando grande attenzione nel contesto delle architetture neuromorfiche, ovvero quei sistemi progettati per emulare il funzionamento del cervello umano. I dispositivi spintronici, grazie alla loro capacità di memorizzare informazioni in modo non volatile e di comportarsi in maniera simile alle sinapsi, potrebbero essere fondamentali nello sviluppo di intelligenze artificiali più efficienti, capaci di apprendere e adattarsi con consumi energetici ridottissimi.

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