L’elettronica assume un nuovo spin

Materiali esotici detti isolanti topologici sono materiali di recentissima identificazione che hanno la particolare caratteristica per cui la corrente elettrica fluisce sulla loro superficie senza perdita di energia, ma non attraverso la loro struttura. Si comportano cioè come superconduttori lungo la superficie e come isolati al loro interno. Il diagramma mostra come i raggi laser possono essere usati per controllare la corrente elettrica su questi nuovi materiali.

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Gli elettroni ( sfere blu) viaggiano come in una strada, in direzioni diverse, con i loro assi di rotazione diretti in modo diverso a seconda del senso di marcia. Un raggio laser polarizzato circolarmente ( a sinistra) colpisce solo gli elettroni che procedono in una direzione, rimuovendoli dal flusso e lasciando un flusso netto che va nella direzione opposta. I materiali topologici, scoperti appena da pochi anni, hanno rivelato alcuni dei loro segreti ai ricercatori del MIT. Per la prima volta, infatti, un gruppo di scienziati ha dimostrato che la luce può essere usata per ottenere informazioni relative allo spin degli elettroni che fluiscono sulla superficie del materiale e hanno anche trovato un modo per controllare i movimenti di tali elettroni variando la polarizzazione della sorgente luminosa. Il materiale potrebbe aprire nuove frontiere per un nuovo tipo di dispositivi basati sulla spintronica.

Quest’ultima costituisce un connubio tra elettronica e magnetismo e ha come obiettivo di affidare allo spin dei  portatori di carica elettrica la codifica binaria. Tra gli obiettivi più ambiziosi a cui mira la spintronica vi è il controllo delle correnti spin-polarizzate, all’interno delle quali tutti i portatori di carica presentano il medesimo spin, in modo che una nuova generazione di microprocessori si possa basare sul funzionamento di spin-transistor più veloci dei componenti attuali e con consumi energetici più contenuti.

L’evoluzione della spintronica non può prescindere dalla ricerca su nuovi materiali, sui loro accostamenti e sulla loro ingegnerizzazione, nell’ambito del vasto campo delle nanotecnologie. Gli isolanti topologici sono materiali che posseggono caratteristiche paradossali. La massa tridimensionale del materiale si comporta come un isolante tradizionale come il quarzo o il vetro che blocca il movimento delle correnti elettriche.

Tuttavia la superficie esterna del materiale si comporta come  un buon conduttore che consente alla corrente elettrica di fluire liberamente.  Nuh Gedik, ricercatore del MIT,  spiega che la chiave per comprendere le proprietà di qualsiasi materiale solido è quello di analizzare il comportamento degli elettroni all’interno del materiale e, in particolare per determinare quali combinazioni di energia, quantità di moto e spin sono possibili per gli elettroni. Questo insieme di combinazioni è ciò che determina le fondamentali proprietà di un materiale ad esempio se è trasparente o opaco, se si tratta o meno di un metallo.

Il modo tradizionale utilizzato per tali misurazioni consiste nel far incidere una radiazione su un pezzo di materiale. La luce espelle gli elettroni dal solido e così la loro energia, momento e spin possono essere determinati. Tuttavia tali misurazioni ci forniscono informazioni relative a un punto particolare. 

Al fine di ottenere informazioni relative ad altri punti occorre ruotare di poco il materiale, effettuare un’altra lettura e così via. Gedik e il suo team hanno ideato un metodo per ottenere una dettagliata mappa tridimensionale per ottenere l’energia dell’elettrone, il suo momento e lo spin in tempi rapidi. Essi vi sono riusciti utilizzando brevi e intensi impulsi di luce laser polarizzata circolarmente il cui tempo di percorrenza può essere  determinato con precisione.

Con questa nuova tecnica, i ricercatori del MIT sono riusciti a capire come lo spin e il moto siano relazionati per gli elettroni che viaggiano in direzioni diverse e con differenti momenti in un tempo di gran lunga inferiore ai metodi tradizionali.  Gedik sostiene che hanno verificato qualcosa che non era stato previsto scoprendo che lo spin, invece di essere precisamente allineato al moto degli elettroni, quando questi si muovono con energie maggiori si verifica una deformazione dell’allineamento previsto.  Tale metodo di misurazione del movimento e dello spin degli elettroni non si limita allo studio di materiali topologici, ma potrebbe avere applicazioni per lo studio dei materiali come magneti e superconduttori. Una caratteristica inusuale di come gli elettroni si muovono attraverso la superficie di tali materiali è che a differenza dei tradizionali conduttori metallici, le impurezze mostrano un effetto risibile sulla conducibilità elettrica complessiva.

Nella maggior parte dei metalli, le impurezze influenzano la conducibilità e intralciano il flusso di elettricità. Questa impenetrabilità rispetto alle impurezze potrebbe fare degli isolanti topologici un materiale nuovo e importante per alcune applicazioni nel campo dell’elettronica. Anche se il materiale è così nuovo per cui non è facile fare previsioni in relazione al suo utilizzo, una possibilità consiste nel suo utilizzo per la trasmissione di corrente elettrica in situazioni nelle quali i metalli comuni si scalderebbero troppo con danno al materiale stesso.

In un secondo documento Gedik e il suo team rilevano che un metodo analogo a quello usato da loro può essere utilizzato anche per controllare il flusso degli elettroni attraverso la superficie di questi materiali. Secondo gli scienziati il dispositivo ha immediate possibilità di applicazione perché consente al flusso di corrente di essere completamente controllato da un raggio laser. Una possibile applicazione potrebbe consistere in un nuovo tipo di stoccaggio elettromagnetico, come quello usato nei dischi rigidi dei computers: essere in grado di controllare i bit con la luce potrebbe, infatti, offrire un tempo di risposta più veloce. Lo sfruttamento del comportamento degli elettroni, inoltre, potrebbe essere la chiave per ottenere circuiti spintronici, usando lo spin degli elettroni invece della loro carica elettrica. Tra l’altro tali dispositivi potrebbero costituire un presupposto per la creazione di nuovi sistemi di computazione quantistica che consentirebbero la risoluzione di molti problemi ancora oggetto di studio.

Come ci dimostra l’attivismo degli scienziati del MIT e di tanti altri che operano negli U.S.A. e in altri stati del mondo le frontiere della tecnologia sono ancora da esplorare e quotidianamente si apprendono nuove scoperte di rilevante importanza:  quando anche in Italia si creeranno istituti così attrezzati in modo che tanti giovani promettenti italiani non debbano andare all’estero per dare il loro contributo alla scienza?

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Author: Chimicamo

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