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La spintronica che utilizza il silicio amplia la portata relativa alla tecnologia degli attuali semiconduttori

L’era del silicio semiconduttore complementare a ossido di metallo sta raggiungendo un punto in cui un ulteriore ridimensionamento è difficile e non vi sarà alcun spazio per ulteriori miglioramenti in termini di dissipazione termica e prestazioni del dispositivo. Un progetto finanziato dall’UE ha sfruttato il silicio (cavallo di battaglia dell’industria elettronica e dei semiconduttori) e altri materiali semiconduttori per applicazioni di spintronica in grado di cambiare il paradigma che fa fronte al ridimensionamento.
La spintronica che utilizza il silicio amplia la portata relativa alla tecnologia degli attuali semiconduttori
I dispositivi elettronici moderni funzionano grazie al flusso di elettroni caricati negativamente come corrente elettrica. Mentre nei transistor a flusso di corrente la presenza o assenza di tale flusso è rappresentata da 1 o 0 rispettivamente, nei dispositivi spintronici 1 e 0 sono rappresentati da uno spin verso l’alto o verso il basso. Oltre alla carica elettrica, la spintronica utilizza la proprietà di spin intrinseca degli elettroni per velocità di trasferimento dati superiori e maggiore capacità di archiviazione.

Silicio, grafene, germanio e isolanti topologici si rivelano materiali promettenti per le applicazioni spintroniche grazie alla loro capacità di trasportare spin a temperatura ambiente, attraverso ampie lunghezze di diffusione. Questi materiali possono conservare il proprio stato di spin degli elettroni (orientamento) per parecchi micrometri, il che è importante per l’archiviazione quantistica delle informazioni e l’informatica quantistica. Il progetto SILICONSPIN (Spin transport in silicon nanodevices), finanziato dall’UE, ha permesso un nuovo approfondimento sui principi fisici fondamentali di generazione, manipolazione e trasporto dello spin all’interno di questi materiali e attraverso le barriere tunnel.

I ricercatori hanno impiegato diverse tecniche sofisticate per la creazione della polarizzazione di spin in materiali quali silicio e germanio, a temperatura ambiente. L’impiego di elettrodi ferromagnetici per il rilevamento dello spin ha introdotto grandi balzi nella magnetoresistenza a effetto tunnel, aumentando la durata e l’accumulo degli spin.

Mediante l’utilizzo di un isolante 2D di nitruro di boro esagonale (h-BN) come barriera tunnel nella giunzione a effetto tunnel magnetico, il team ha iniettato una corrente con spin polarizzato nel silicio attraverso un elettrodo ferromagnetico. Ciò ha generato correnti che fluiscono contemporaneamente nella stessa direzione e in quella opposta.

Oltre a fare affidamento sugli elettrodi ferromagnetici per l’iniezione di polarizzazione di spin nel silicio, i ricercatori hanno impiegato anche il riscaldamento termico del silicio e metodi dinamici. Grazie a tali metodi, per la prima volta sono stati riportati un’accumulo e un pompaggio di spin nel silicio.

Un ulteriore obiettivo del progetto SILICONSPIN era quello di studiare il trasporto di spin nel grafene a temperatura ambiente. Mediante il deposito di grafene su silicio o substrati di biossido di silicio, il team ha riportato lunghezze di diffusione elevate e tempi di spin nell’ordine di pochi nanosecondi. Ancora una volta, i ricercatori hanno utilizzato l’h-BN come barriera tunnel nella giunzione a effetto tunnel magnetico, ed è stato segnalato un più alto grado nella polarizzazione di spin.

L’impiego di correnti di spin dell’elettrone per elaborare le informazioni è visto come il Santo Graal della spintronica a semiconduttori, poiché conduce verso dispositivi con prestazioni più elevate e consumi ridotti, eliminando inoltre l’accumulo di calore. Infine, la generazione e modulazione della corrente di spin nei semiconduttori può portare a dispositivi spintronici su misura con nuove funzionalità.

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Keywords

Silicio, spintronica, semiconduttori, grafene, trasporto di spin, SILICONSPIN