I fisici dell’Università Nazionale di Singapore hanno innovato un concetto per indurre e quantificare direttamente la suddivisione dello spin nei materiali bidimensionali. Utilizzando questo concetto, hanno ottenuto sperimentalmente un’ampia sintonizzabilità e un alto grado di polarizzazione dello spin nel grafene. Questo risultato della ricerca può potenzialmente far avanzare il campo della spintronica bidimensionale (2D), con applicazioni per l’elettronica a bassa potenza.
Il riscaldamento ad effetto Joule rappresenta una sfida significativa nell’elettronica moderna, soprattutto in dispositivi come personal computer e smartphone. Questo è un effetto che si verifica quando il flusso di corrente elettrica che passa attraverso un materiale produce energia termica, aumentando successivamente la temperatura del materiale.
Una potenziale soluzione prevede l’uso dello spin, invece della carica, nei circuiti logici. Questi circuiti possono, in linea di principio, offrire un basso consumo energetico e una velocità ultraveloce, grazie alla riduzione o all’eliminazione del riscaldamento Joule. Ciò ha dato origine al campo emergente della spintronica.
Il grafene è un materiale 2D ideale per la spintronica, grazie alla sua lunghezza di diffusione dello spin e alla lunga durata dello spin anche a temperatura ambiente. Anche se il grafene non è intrinsecamente polarizzato nello spin, può essere indotto a mostrare un comportamento di suddivisione dello spin posizionandolo vicino a materiali magnetici. Tuttavia, ci sono due sfide principali. Mancano metodi diretti per determinare l’energia di suddivisione dello spin e una limitazione nelle proprietà di spin e nella sintonizzazione del grafene.
Una svolta nella spintronica del grafene
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Ariando del Dipartimento di Fisica della NUS ha sviluppato un concetto innovativo per quantificare direttamente l’energia di divisione dello spin nel grafene magnetico utilizzando lo spostamento della ventola di Landau. Lo spostamento della ventola di Landau si riferisce allo spostamento dell’intercetta quando si tracciano adattamenti lineari della frequenza di oscillazione con portatori di carica, che è dovuto alla suddivisione dei livelli energetici delle particelle cariche in un campo magnetico. Può essere utilizzato per studiare le proprietà fondamentali della materia.
Figura che mostra la diffusione di elettroni polarizzati con spin all’interno di uno strato di grafene posto sopra un ossido isolante ferrimagnetico Tm3Fe5O12 (TmIG). La forte interazione di scambio tra il grafene e il TmIG determina una significativa suddivisione dello spin della struttura della banda del grafene. Questa suddivisione dello spin, a sua volta, si traduce in una differenza sostanziale nella densità dei portatori di carica con orientamenti di spin etichettati come “spin up” (↑) e “spin down” (↓). Questa differenza nella densità dei portatori dà origine alla generazione di una corrente polarizzata in spin. Credito: materiali avanzati
Inoltre, l’energia di scissione dello spin indotta può essere regolata su un ampio intervallo mediante una tecnica chiamata raffreddamento di campo. L’elevata polarizzazione di spin osservata nel grafene, unita alla sua sintonizzabilità nell’energia di suddivisione dello spin, offre una strada promettente per lo sviluppo della spintronica 2D per l’elettronica a bassa potenza.
I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Advanced Materials.
Validazione sperimentale e supporto teorico
I ricercatori hanno eseguito una serie di esperimenti per convalidare il loro approccio. Hanno iniziato creando una struttura di grafene magnetico impilando un monostrato di grafene sopra un ossido isolante magnetico Tm 3 Fe 5 O 12 (TmIG). Questa struttura unica ha permesso loro di utilizzare lo spostamento della ventola di Landau per quantificare direttamente il suo valore energetico di divisione dello spin di 132 meV nel grafene magnetico.
Per corroborare ulteriormente la relazione diretta tra lo spostamento della ventola di Landau e l’energia di suddivisione dello spin, i ricercatori hanno eseguito esperimenti di raffreddamento sul campo per regolare il grado di suddivisione dello spin nel grafene. Hanno anche applicato il dicroismo circolare magnetico a raggi X alla sorgente di luce del sincrotrone di Singapore per rivelare le origini della polarizzazione dello spin.
Il dottor Junxiong HU, ricercatore senior presso il Dipartimento di fisica della NUS e autore principale del documento di ricerca, ha dichiarato: “Il nostro lavoro risolve la controversia di lunga data sulla spintronica 2D, sviluppando un concetto che utilizza lo spostamento della ventola di Landau per quantificare direttamente la scissione dello spin nei materiali magnetici”.
Per supportare ulteriormente i loro risultati sperimentali, i ricercatori hanno collaborato con un team teorico guidato dal professor Zhenhua QIAO dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, per calcolare l’energia di scissione dello spin utilizzando i calcoli del primo principio.
I risultati teorici ottenuti erano coerenti con i dati sperimentali. Inoltre, hanno anche utilizzato l’apprendimento automatico per adattare i loro dati sperimentali sulla base di un modello fenomenologico, che fornisce una comprensione più profonda della sintonizzabilità dell’energia di scissione dello spin mediante il raffreddamento del campo.
Il professor Ariando ha affermato: “Il nostro lavoro sviluppa un percorso robusto e unico per generare, rilevare e manipolare lo spin degli elettroni in materiali atomicamente sottili. Dimostra anche l’uso pratico dell’intelligenza artificiale nella scienza dei materiali. Con il rapido sviluppo e il significativo interesse nel campo dei magneti 2D e del magnetismo indotto dall’impilamento in eterostrutture di van der Waals atomicamente sottili, riteniamo che i nostri risultati possano essere estesi a vari altri sistemi magnetici 2D”.
Basandosi su questo studio dimostrativo, il gruppo di ricerca intende esplorare la manipolazione della corrente di spin a temperatura ambiente. Il loro obiettivo è applicare le scoperte allo sviluppo di circuiti logici spin 2D e dispositivi sensoriali/di memoria magnetica. La capacità di regolare in modo efficiente la polarizzazione di spin della corrente costituisce la base per la realizzazione di transistor ad effetto di campo di spin completamente elettrici, inaugurando una nuova era di basso consumo energetico e elettronica a velocità ultraveloce.
Riferimento: “Tunable Spin-Polarized States in Graphene on a Ferrimagnetic Oxide Insulator” di Junxiong Hu, Yulei Han, Xiao Chi, Ganesh Ji Omar, Mohammed Mohammed Esmail Al Ezzi, Jian Gou, Xiaojiang Yu, Rusydi Andrivo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi , Andrew Thye Shen Wee, Zhenhua Qiao e A. Ariando, 9 ottobre 2023, Advanced Materials .
DOI: 10.1002/adma.202305763
