Grafene: passi avanti verso lo spin computer

Un gruppo di ricerca della University of California, Riverside, hanno compiuto un importante passo avanti verso lo sviluppo del cosiddetto "spin computer", grazie alla dimostrazione della possibilità del "tunneling spin injection" nel grafene.

Per spin computer si intende un elaboratore che basa la propria logica non sull'elettronica convenzionale, ma che considera come unità fondamentale dell'informazione lo spin dell'elettrone (cioè il senso di rotazione attorno al proprio asse). Gli spin computer sono in grado, almeno sulla carta, di stoccare e processare vaste moli di dati, utilizzando meno energia, generando meno calore e con prestazioni maggiori rispetto ai convenzionali sistemi in uso oggi.

Ricordiamo che il grafene, portato alla ribalta dal premio Nobel in fisica di quest'anno, è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, organizzati in un motivo a nido d'ape. Resistente e flessibile, è un buon conduttore di elettricità e mostra una buona resistenza al calore.

"Il grafene ha le migliori caratteristiche di trasporto di spin di qualunque materiale a temperatura ambiente, fattore che lo rende un candidato promettente per l'uso negli spin computer. Lo spin injection nel grafene, da un elettrodo ferro magnetico è tuttavia inefficiente. Un'ulteriore preoccupazione è che la durata dello spin è di migliaia di volte più breve rispetto a quanto ci si potrebbe attendere a livello teorico. Sarebbe auspicabile avere una durata di spin più prolungata, perché maggiore è la durata dello spin, più operazioni è possibile eseguire" ha spiegato Roland Kawakami, professore associatio di fisica e astronomia, a capo del team di ricercatori.

I termini "tunneling spin injecton" indicano la possibilità di conduzione attraverso un isolante. E proprio uno strato di materiale isolante, dello spessore di un nanometro, è stato interposto tra l'elettrodo ferromagnetico e lo strato di grafene. Con l'inserimento di questo strato, chiamato "tunnel barrier", l'efficienza dello spin injection viene incrementata in maniera considerevole.

"Abbiamo rilevato un incremento di 30 volte nell'efficienza di spin injecton dall'elettrodo nel grafene attraverso l'isolante. E' interessante notare che quest'ultimo opera come fosse una valvola unidirezionale, permettendo agli elettroni di scorrere in una direzione - dall'elettrodo al grafene - ma non nella direzione opposta. L'isolante aiuta a mantenere lo spin all'interno del grafene, questo risultato controintuitivo è la prima dimostrazione della possibilità di realizzare la tunneling spin injection nel grafene. Abbiamo reigstrato valori record in termini di efficienza di spin injection".

Durante gli esperimenti è stata inoltre rilevata, in maniera del tutto inattesa, una durata di spin superiore a quanto normalmente rilevato. Kawakami ha spiegato che la durata dello spin è di norma studiata attraverso un esperimento, conosciunto come misura di Hanle, che prevede l'impiego di un rilevatore di spin ferromagnetico per monitorare lo spin elettronico nel grafene nella variazione di un campo magnetico esterno. Il team ha collocato una tunnel barrier tra il rilevatore di spin ferromagnetico e la grafene, registrando una durata dello spin di circa 500 picosecondi, comparata a valori tipici di 100 picosecondi, senza che venisse registrata alcuna anomalia nel grafene stesso.

Kawakami ha spiegato che, teoricamente, il grafene può consentire estese durate di spin, almeno in potenza. "Questa durata può arrivare nell'ordine dei microsecondi. Una durata estesa è una proprietà speciale per il grafene, che diventa un materiale molto attraente per uno spin-computer" ha dichiarato Kawakami.

La realizzazione di barriere isolanti sul grafene non è un processo semplice. L'isolante tende a formare grumi sul foglio di grafene, in parte dovuti alla riluttanza del grafene di formare legami forti con i materiali. Per aggirare la comparsa di questi grumi, il team ha condotto degli esperimenti stendendo un sottilissimo strato di titanio sul grafene, utilizzando un metodo chiamato molecular beam epitaxy. In questo modo i ricercatori hanno individuato che lo strato di titanio previene la formazione di grumi di isolante sul grafene o che l'isolante scivoli via dal grafene.