Nuovi meccanismi del trasporto di spin nei metalli
La manipolazione dello spin dell’elettrone è alla base della spintronica volta a sviluppare circuiti elettronici più piccoli, ma più efficienti, rispetto a quelli oggi disponibili. «Conservare la polarizzazione dello spin sull’intera lunghezza del dispositivo elettronico è fondamentale per un suo sviluppo di successo», dice il prof. Angel Rubio che ha guidato il progetto SOCISS finanziato dall’UE. La protezione della depolarizzazione dello spin causata da vari meccanismi di rilassamento è di importanza fondamentale per i dispositivi innovativi di prossima generazione. Pura corrente di spin – gratis Nella spintronica, uno dei principali meccanismi che causano la perdita da parte dello spin dell’elettrone della capacità di allinearsi in una data direzione è la sua interazione con il moto orbitale. «La rottura della simmetria di inversione all’interfaccia tra eterostrutture genera un forte accoppiamento spin-orbita. Questa forte interazione favorisce la generazione di pure correnti di spin, che sono fatte di elettroni con spin opposti che si muovono in direzioni opposte. Le direzioni di spin «up» e «down» possono essere usate per memorizzare ed elaborare informazioni in dispositivi spintronici», fa notare il prof. Rubio. Ma come spiega meglio, «gli elettroni non possono mantenere la loro direzione per una lunga distanza in regioni con forte accoppiamento spin-orbita». Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno bisogno di unire regioni dell’interfaccia che mostrano interazioni spin-orbita enormi e deboli. Ottenere un quadro dettagliato di ciò che accade all’interfaccia tra eterostrutture è quindi fondamentale per raggiungere questo obiettivo. Gli elettroni si scambiano gli spin Uno studio dettagliato dell’accoppiamento spin-orbita interfacciale tra eterostrutture ha portato alla scoperta di particolari fenomeni che non erano mai stati riferiti prima. «Eravamo sorpresi di scoprire che l’accoppiamento spin-orbita nelle giunzioni metallo-metallo provoca quella che viene chiamata conversione da spin a spin», fa notare il prof. Rubio. «Questo effetto, che è anche noto come scambio di spin, descrive come gli elettroni scambiano la polarizzazione del loro spin con la direzione del campo elettrico in presenza di accoppiamento spin-orbita interfacciale», spiega ulteriormente. Controllare il magnetismo su richiesta Un altro risultato degno di nota del progetto, particolarmente interessante per le future applicazioni elettroniche, è stata la capacità di controllare la polarizzazione dello spin mediante una corrente elettrica. «Gli elementi della memoria magnetica, come quelli in un disco rigido, archiviano i dati digitali magneticamente, ma scrivere i dati in maniera veloce e precisa nello stesso modo è incredibilmente difficile. Applicare una corrente elettrica per accendere e spegnere il magnetismo rende il procedimento di scrittura più veloce e molto più efficiente in termini energetici, tutto ciò che serve è un semplice impulso di tensione», schematizza il prof. Rubio. La squadra di SOCISS ha usato un approccio balistico per calcolare i meccanismi di conversione da spin a spin e da spin a carica che si verificano all’interfaccia tra giunzioni metalliche. Questi calcoli ignorano qualsiasi difetto nella maggior parte delle eterostrutture. Sono stati compiuti anche importanti progressi con l’ampliamento delle condizioni al contorno di Zaitsev, che descrivono gli effetti di prossimità nelle eterostrutture, anche a casi dove l’accoppiamento spin-orbita interfacciale è presente. I risultati dovrebbero consentire ai ricercatori di spiegare tutti i differenti meccanismi di conversione dello spin innescati da accoppiamento spin-orbita interfacciale e mostrare ulteriormente la loro dipendenza dallo spessore della giunzione. Dalla scala atomica alla mesoscala Uno degli obiettivi più importanti di SOCISS era quello di fornire una descrizione multiscala dei fenomeni di trasporto di spin causati da interazioni spin-orbita. Il nuovo modello descrive perfettamente tutti i fenomeni di trasporto di spin su scale mesoscopiche. «Inoltre, l’uso di tecniche dei concetti primitivi ci ha permesso di determinare in che modo le proprietà del materiale influenzano i meccanismi di spin», spiega il prof. Rubio. La combinazione di questi metodi fornisce una descrizione dettagliata dell’accoppiamento spin-orbita interfacciale su tutte le scale senza utilizzare dei parametri liberi. Le scoperte del progetto forniscono nuove e grandi possibilità di sfruttare l’interazione spin-orbita per manipolare gli elettroni in applicazioni spintroniche. Mentre i ricercatori proseguono i loro studi sull’argomento, lezioni a varie conferenze, seminari e workshop hanno diffuso le loro scoperte. I ricercatori hanno anche partecipato al programma LanAldi per promuovere il loro lavoro e rendere più accessibile la scienza per gli studenti delle scuole medie.
Parole chiave
SOCISS, accoppiamento spin-orbita, metallo, interfacciale, spintronica, trasporto di spin, corrente di spin, conversione da spin a spin, conversione da spin a carica
