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Un futuro luminoso per la spintronica
Il desiderio di costruire un'elettronica più piccola, veloce ed economica ha spinto diversi ricercatori a provare a utilizzare lo spin di un elettrone nei transistor. Questi transistor spintronici potrebbero essere altamente efficienti dal punto di vista energetico e svolgere più calcoli rispetto ai transistor tradizionali in uno spazio più piccolo. Inoltre, nelle applicazioni optoelettroniche, i laser ei diodi emettitori di luce che sfruttano lo spin degli elettroni potrebbero aumentare la capacità della luce di trasportare dati.
Ma uno degli ostacoli principali in questo campo emergente è che i materiali magnetici e semiconduttori necessari per realizzare un dispositivo spintronico sono notoriamente incompatibili.
Ora i ricercatori dell'Ohio University e dell'Ohio State University hanno sviluppato un sistema a semiconduttore magnetico che, sulla base dei test iniziali, sembra possa essere un progresso. Arthur Smith , professore di fisica all'Università dell'Ohio, e i suoi colleghi hanno coltivato con successo gallio manganese, un metallo magnetico, su nitruro di gallio, un semiconduttore comune che viene utilizzato per realizzare laser e LED blu e per amplificare i segnali a radiofrequenza.
I ricercatori affermano che la spaziatura degli atomi negli strati di materiale è una corrispondenza quasi ideale, creando un'interfaccia uniforme tra gli strati e aumentando così le possibilità di produrre un dispositivo spintronico funzionante. Senza un'interfaccia pulita, dice Smith, quando gli elettroni attraversano la barriera tra il metallo e il semiconduttore, possono perdere il loro spin originale, rovinando il dispositivo. Inoltre, il loro nuovo sistema mantiene le sue proprietà magnetiche a temperatura ambiente, afferma Smith. Molti potenziali materiali spintronici funzionano bene solo a temperature estremamente basse, sebbene recenti sviluppi abbiano prodotto alcuni materiali a temperatura ambiente (vedi A New Spin on Computing).
Sebbene siano necessari ulteriori test per confermare che gli elettroni manterranno le loro caratteristiche di spin durante il viaggio dal metallo al semiconduttore, Smith afferma che questi primi test sono incoraggianti. Pensiamo che ci siano buone probabilità che funzioni abbastanza bene, dice.
I sistemi elettronici che utilizzano lo spin di un elettrone, una proprietà della meccanica quantistica disponibile in due varietà: su o giù, funzionerebbero in modo simile ai transistor di oggi, ma presentano diversi vantaggi. Attualmente, la sola corrente elettrica è responsabile delle funzioni logiche nei circuiti. La corrente che scorre attraverso un transistor rappresenta un 1; l'assenza di corrente, uno 0. Se lo spin di un elettrone potesse essere controllato, un elettrone con spin up potrebbe rappresentare un 1 e uno spin down uno 0.
A differenza della corrente elettrica, lo spin può essere mantenuto anche se l'alimentazione è disattivata e un circuito spintronico consumerebbe meno energia perché non sarebbe necessario applicare costantemente una corrente. Questo è il motivo per cui aziende come Freescale Semiconductor stanno esplorando la memoria a stato solido basata su spin (vedi A Better Memory Chip ).
Un secondo vantaggio è che l'uso dello spin può aumentare ulteriormente la capacità di memorizzazione e trasmissione delle informazioni degli elettroni, rendendo effettivamente più veloci i microprocessori.
Tuttavia, Smith afferma che le applicazioni elettroniche potrebbero essere lontane nel futuro per il suo sistema; invece, potrebbe essere più adatto per applicazioni optoelettroniche, come laser e LED.
Nello specifico, spiega, lo spin degli elettroni in un laser a semiconduttore può influenzare i fotoni emessi da questi dispositivi: un elettrone con un certo spin può creare un fotone con uno spin corrispondente, risultando in luce polarizzata. La polarizzazione, l'orientamento generale delle onde luminose, potrebbe essere sfruttata per aggiungere un altro livello di dati alla luce utilizzata nelle telecomunicazioni. Attualmente, le informazioni vengono codificate regolando la frequenza e la fase della luce; la codifica di polarizzazione potrebbe quindi aumentare la capacità delle linee ottiche.
I nuovi materiali dei ricercatori dell'Ohio hanno buone proprietà e quindi il sistema potrebbe essere un candidato per applicazioni ottiche, afferma Kannan Krishnan , professore di scienza dei materiali presso l'Università di Washington a Seattle. Sebbene il gruppo non abbia costruito dispositivi reali, dice che è molto promettente.
Chris Palmstrom, professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso l'Università del Minnesota, afferma che il lavoro è il primo a coltivare materiale magnetico sul nitruro di gallio. Tuttavia, dice, i ricercatori devono dimostrare di poterci fare qualcosa.
Dimostrare che il sistema funzionerà in un dispositivo reale è il prossimo passo per i ricercatori. Smith afferma che molto probabilmente testeranno le sue proprietà di emissione di luce per determinare quanto bene lo spin degli elettroni nel materiale magnetico si traduce in luce polarizzata.