I progressi nell’ambito della spintronica molecolare preannunciano una nuova era per i dispositivi a corrente di spin
La scoperta risalente a quasi trenta anni fa della magnetoresistenza gigante ha rappresentato un enorme progresso, aggiudicandosi il premio Nobel per la fisica nel 2007. Da allora, sviluppi molto rapidi nella capacità di sfruttare la carica e la rotazione degli elettroni sono sfociati in un ventaglio di dispositivi spintronici. Di recente, l’impiego di molecole organiche invece delle tradizionali eterostrutture interamente inorganiche ha spianato la strada a una serie pressoché illimitata di proprietà e funzioni uniche. Alla luce delle incredibili possibilità di combinazioni di materiali, la priorità è conferita a una migliore comprensione fondamentale e agli strumenti per la progettazione molecolare razionale. Il programma dell’UE in materia di tecnologie emergenti future ha finanziato le attività del progetto COSMICS allo scopo di affrontare tale esigenza e promuovere l’innovazione tecnologica radicalmente nuova.
Complessi di crossover dello spin su substrati inorganici
I complessi di crossover dello spin (SCO, Spin Crossover) sono molecole in grado di esistere in uno stato magnetico basso ed elevato. Il coordinatore del progetto, Cyrille Barreteau della Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica, spiega: «È possibile commutare i complessi SCO da uno spin basso (o magnetismo basso) a uno spin alto mediante l’applicazione di uno stimolo esterno, come ad esempio luce, temperatura, tensione o pressione. La transizione magnetica è accompagnata da un mutamento di altre proprietà, quali volume, caratteristiche ottiche e conduttività. Tale commutazione fornisce inoltre agli scienziati un “pulsante” per regolare le altre proprietà quando il crossover dello spin è a contatto con un substrato.» Sebbene si conoscano da tempo le strutture cristalline dei complessi SCO, si è dimostrato difficile depositare tali molecole su substrati, per non parlare della difficoltà di conservarne la «commutabilità» intrinseca. Ciò significa che le proprietà di complessi SCO sui substrati si confermano per lo più un mistero.
Indizi inediti sulle proprietà dei complessi SCO
COSMICS ha riunito un consorzio multidisciplinare impareggiabile che ha messo a punto tecniche di modellizzazione avanzate sostenute da sperimentazioni rivoluzionare nell’ambito emergente della spintronica molecolare. «Il generatore molecolare estremamente potente sviluppato nel corso di COSMICS è uno strumento prezioso per i ricercatori. Gli strumenti di analisi intuitivi agevolano i calcoli difficili. Infine, l’integrazione di grande efficienza permette la simulazione di sistemi di grandi dimensioni a un costo di calcolo modesto», osserva Barreteau. COSMICS ha utilizzato i propri strumenti di modellizzazione per simulare i più solidi complessi SCO e proporre nuovi sistemi che potrebbero offrire percorsi interessanti per la progettazione di dispositivi spintronici molecolari. La deposizione efficace di complessi SCO solidi da parte del gruppo del progetto ha aperto uno scorcio inedito sui comportamenti di queste molecole enigmatiche e promettenti. Gli indizi ottenuti dagli esperimenti hanno fornito informazioni ai modelli e viceversa, una combinazione vincente che ha contribuito a una comprensione approfondita del ruolo svolto dall’interazione intermolecolare e tra molecole e substrato nel meccanismo di transizione dei complessi SCO.
La nascita di una stella e la conservazione di un’eredità
Barreteau osserva: «Inaspettatamente, in uno dei nostri complessi SCO abbiamo riscontrato che il cambiamento di volume degli strati molecolari che si verifica al momento della transizione potrebbe indurre mutamenti notevoli nelle proprietà elettroniche del substrato. Abbiamo incorporato il complesso in un concetto di dispositivo orizzontale SCO/grafene, approdando alla dimostrazione di un trasporto di elettroni senza precedenti in un foglio di grafene.» È possibile adeguare il trasporto mediante la luce e/o la temperatura, sfruttando la transizione di spin dello strato superiore del complesso SCO. Questi risultati serviranno a preparare i primi dispositivi a corrente di spin indirizzabili dalla luce basati su complessi SCO. «Gli strumenti di modellizzazione realizzati durante COSMICS hanno favorito lo sviluppo di nuovi modi efficaci per incorporare le molecole magnetiche in dispositivi elettronici basati sulla manipolazione di spin a livello di singola molecola. Si riveleranno fondamentali per la progettazione di nuovi dispositivi», conclude Barreteau. Grazie ai risultati del progetto si profila all’orizzonte la rapida accelerazione dell’innovazione nell’ambito emergente della spintronica molecolare.
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