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Spin Transport in Silicon Nanodevices

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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.

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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.

Parole chiave

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

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