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L’innovazione tecnologica consente la spintronica dei semiconduttori

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In futuro potrebbe essere possibile utilizzare la tecnologia dell’informazione in cui lo spin elettronico viene utilizzato per elaborare le informazioni nei computer quantistici. È stato a lungo l’obiettivo degli scienziati essere in grado di utilizzare la tecnologia dell’informazione quantistica basata sullo spin a temperatura ambiente. 

Ricercatori provenienti da Svezia, Finlandia e Giappone hanno ora costruito un componente semiconduttore in cui le informazioni possono essere scambiate in modo efficiente tra spin degli elettroni e luce, a temperatura ambiente e oltre.

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È noto che gli elettroni hanno una carica negativa e hanno anche un’altra proprietà, vale a dire lo spin. Quest’ultimo può rivelarsi determinante per il progresso della tecnologia dell’informazione. 

Per dirla semplicemente, possiamo immaginare l’elettrone ruotare attorno al proprio asse, in modo simile al modo in cui la Terra ruota attorno al proprio asse. La spintronica, un candidato promettente per la futura tecnologia dell’informazione, utilizza questa proprietà quantistica degli elettroni per memorizzare, elaborare e trasferire informazioni. 

Ciò porta vantaggi importanti, come una maggiore velocità e un minor consumo di energia rispetto all’elettronica tradizionale.

Gli sviluppi della spintronica negli ultimi decenni si sono basati sull’uso dei metalli e questi sono stati molto significativi per la possibilità di memorizzare grandi quantità di dati. Tuttavia, ci sarebbero diversi vantaggi nell’usare la spintronica basata sui semiconduttori, nello stesso modo in cui i semiconduttori costituiscono la spina dorsale dell’elettronica e della fotonica odierne.

Un importante vantaggio della spintronica basata sui semiconduttori è la possibilità di convertire le informazioni rappresentate dallo stato di spin e trasferirle alla luce e viceversa. La tecnologia è nota come opto-spintronica. Renderebbe possibile integrare l’elaborazione e l’archiviazione delle informazioni basate sulla rotazione con il trasferimento delle informazioni attraverso la luce “, afferma Weimin Chen, professore all’Università di Linköping, in Svezia, che ha guidato il progetto.

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Poiché l’elettronica utilizzata oggi funziona a temperatura ambiente e oltre, un grave problema nello sviluppo della spintronica è stato che gli elettroni tendono a cambiare e randomizzare la loro direzione di rotazione quando la temperatura aumenta. Ciò significa che le informazioni codificate dagli stati di spin degli elettroni vengono perse o diventano ambigue. 

È quindi una condizione necessaria per lo sviluppo della spintronica basata sui semiconduttori che possiamo orientare essenzialmente tutti gli elettroni allo stesso stato di spin e mantenerlo, in altre parole che sono polarizzati allo spin, a temperatura ambiente e temperature più elevate. 

Ricerche precedenti hanno raggiunto una polarizzazione di spin degli elettroni più alta di circa il 60% a temperatura ambiente, insostenibile per applicazioni pratiche su larga scala.

I ricercatori dell’Università di Linköping, dell’Università di Tampere e dell’Università di Hokkaido hanno ora raggiunto una polarizzazione dello spin degli elettroni a temperatura ambiente superiore al 90%. La polarizzazione dello spin rimane ad un livello elevato anche fino a 110° C. 

Questo progresso tecnologico, descritto in Nature Photonics, si basa su una nanostruttura opto-spintronica che i ricercatori hanno costruito da strati di diversi materiali semiconduttori. Contiene regioni su scala nanometrica chiamate punti quantici. Ogni punto quantico è circa 10.000 volte più piccolo dello spessore di un capello umano.

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Quando un elettrone polarizzato con spin colpisce un punto quantico, emette luce – per essere più precisi, emette un singolo fotone con uno stato (momento angolare) determinato dallo spin dell’elettrone. 

Pertanto, si ritiene che i punti quantici abbiano un grande potenziale come interfaccia per trasferire informazioni tra lo spin dell’elettrone e la luce, come sarà necessario nella spintronica, nella fotonica e nel calcolo quantistico. Nello studio recentemente pubblicato, gli scienziati mostrano che è possibile utilizzare un filtro di spin adiacente per controllare lo spin dell’elettrone dei punti quantici a distanza ed a temperatura ambiente.

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I punti quantici sono costituiti da arseniuro di indio (InAs) e uno strato di arseniuro di azoto di gallio (GaNAs) funge da filtro di rotazione. Uno strato di arseniuro di gallio (GaAs) è inserito tra di loro. Strutture simili sono già utilizzate nella tecnologia optoelettronica basata sull’arseniuro di gallio ed i ricercatori ritengono che ciò possa rendere più facile l’integrazione della spintronica con i componenti elettronici e fotonici esistenti.

Siamo molto felici che i nostri sforzi a lungo termine per aumentare le competenze richieste per fabbricare semiconduttori contenenti N altamente controllati stiano definendo una nuova frontiera nella spintronica. Finora, abbiamo avuto un buon livello di successo nell’utilizzo di tali materiali per dispositivi optoelettronici, più recentemente in celle solari ad alta efficienza e diodi laser. Ora non vediamo l’ora di continuare questo lavoro e di unire fotonica e spintronica, utilizzando una piattaforma comune per la tecnologia quantistica basata sulla luce e basata sullo spin”, afferma il professor Mircea Guina, capo del gruppo di ricerca dell’Università di Tampere in Finlandia.

Cos’è la spintronica?

La spintronica è una tecnologia che utilizza sia la carica che lo spin degli elettroni per elaborare e trasportare le informazioni.

Si può immaginare che lo spin di un elettrone sorga quando l’elettrone ruota in senso orario o antiorario attorno al proprio asse, nello stesso modo in cui la Terra ruota attorno al proprio asse. I due sensi di rotazione sono chiamati “su” e “giù”. 

Nella tecnologia elettronica utilizzata oggi, la carica dell’elettrone viene utilizzata per rappresentare 0 e 1, e in questo modo trasportare informazioni. In modo corrispondente, le informazioni possono essere rappresentate in spintronica utilizzando lo stato di spin degli elettroni.

Nel mondo della fisica quantistica, un elettrone può possedere entrambe le direzioni di rotazione contemporaneamente (e quindi trovarsi in uno stato che è una miscela di 1 e 0). Questo è, ovviamente, completamente impensabile nel mondo tradizionale, “classico”, ed è la chiave del calcolo quantistico. La spintronica è quindi promettente per lo sviluppo di computer quantistici.

L’opto-spintronica implica il trasferimento alla luce delle informazioni rappresentate dallo stato di spin degli elettroni e viceversa. 

La luce, i fotoni, possono quindi trasportare le informazioni in avanti attraverso le fibre ottiche, molto rapidamente e su lunghe distanze. 

Lo stato di spin dell’elettrone determina le proprietà della luce, o per dirla in modo più preciso, determina se il campo elettromagnetico della luce ruoterà in senso orario o antiorario attorno alla direzione di marcia, più o meno allo stesso modo che può avere un cavatappi un senso di rotazione in senso orario o antiorario.

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