Isolanti topologici per la spintronica

I ricercatori finanziati dall’UE hanno raccolto prove per confermare l’efficacia degli isolanti topologici, i quali potrebbero potenziare di molto i convenzionali dispositivi spintronici, così come i computer quantistici.

Economia digitale

A differenza della maggior parte dei materiali, che sono isolanti o conduttori, gli isolanti topologici racchiudono entrambe le caratteristiche. Essi sono isolanti all’interno, ma conducono l’elettricità attraverso la superficie. Poiché gli elettroni sulla superficie sono estremamente mobili e in grado di trasportare il momento magnetico, questa classe emergente di materiali potrebbe rendere possibile la creazione di componenti spintronici. Nello specifico, i componenti spintronici non si basano sulla circolazione di portatori di carica come gli elettroni, come accade nei componenti a semiconduttore, ma sulla manipolazione dello spin. Un team di fisici finanziato dall’UE ha lavorato sul modo in cui possono essere controllate le rotazioni degli elettroni all’interno degli isolanti topologici. Nell’ambito del progetto STIFNANO (Spintronics with topological insulator/ferromagnet nanodevices), è stato installato un sistema epitassiale a fascio molecolare (molecular beam epitaxial, MBE) con doppia camera, presso l’Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia (ICN2) in Spagna. Il sistema MBE per la crescita di film sottili epitassiali con purezza ultra elevata è uno dei pochi in Europa. I fisici hanno utilizzato questa struttura unica per coltivare questi isolanti topologici con spessore e composizione ben definita. In aggiunta, sono state sviluppate nuove procedure per la coltivazione di diversi isolanti topologici a base di bismuto. Una delle principali realizzazioni del progetto STIFNANO è data dalla soppressione completa dei difetti presenti nei film sottili monocristallini per gli isolanti topologici. I difetti estesi relativi ai cristalli vengono spesso osservati in questi materiali e sono dannosi per l’osservazione di fenomeni inerenti alla superficie. I fisici hanno sviluppato un set-up sperimentale per studiare le eterostrutture topologiche isolante/ferromagnete. La generazione di ferromagnetismo indotto da scambio di spin-carica presso l’interfaccia fornisce un approccio innovativo per realizzare dispositivi che dimostrano avere funzionalità quantistiche. Il sistema sperimentale del progetto STIFNANO è già stato sfruttato per raccogliere le primissime misurazioni di risonanza ferromagnetica indotta da corrente elettrica. Il magnetismo migliorato presso l’interfaccia e misurato può essere molto rilevante per la costruzione di nuovi dispositivi spintronici in grado di eseguire calcoli tramite le leggi della meccanica quantistica.