Il neologismo spintronica deriva dalla contrazione dei termini anglosassoni "Spin Electronics", elettronica fondata sullo spin. Intesa come scienza, la spintronica studia le strutture elettroniche e di spin dei più svariati materiali. Intesa come tecnologia di memorizzazione ed elaborazione dell'informazione, essa costituisce un connubio tra l'elettronica e il magnetismo proponendosi di affidare allo spin dei portatori la codifica binaria, anziché alla modulazione della carica elettrica. Lo spin dell'elettrone infatti, essendo quantizzato ed avendo due sole configurazioni possibili (diciamo "up" o "down") si presta immediatamente all'implementazione del codice binario.
Descrizione.
Tutti i dispositivi elettronici sono basati sulla carica dell'elettrone (o lacune nel caso si tratti di semiconduttori). Un dispositivo elettronico tradizionale risente quindi del solo campo elettrico che viene applicato agli elettrodi. I dispositivi spintronici, invece, vengono progettati in modo che si produca un'interazione anche tra un campo magnetico esterno alla struttura ed i portatori che fluiscono al suo interno; questo avviene poiché allo spin è associato un momento magnetico il quale risentirà del campo magnetico esterno, rendendo possibile la modifica dello stato del dispositivo. Ovviamente essendo i portatori elettroni sia nei dispositivi tradizionali che in quelli spintronici, lo spin sarà presente in entrambi. La differenza è che mentre in un normale dispositivo elettronico il numero di portatori con spin "up" e "down" è uguale, in un dispositivo spintronico gli elettrodi sono ferromagnetici. In questo modo sarà possibile controllare lo stato dello spin dei portatori, facendo sì che la maggior parte di questi siano nel medesimo stato di spin.
Esperimenti.
A giugno 2013 un gruppo del NIST verifica l'effetto Hall quantistico di spin in un condensato di atomi di Rubidio, creando un prototipo di transistor spintronico.
Prime applicazioni.
Un esempio di dispositivo spintronico universalmente diffuso è costituito dalle testine di lettura degli hard disk più recenti, basate sull'effetto quantistico noto come magnetoresistenza gigante (GMR). In questo caso il campo magnetico modulante, o meglio il gradiente di campo magnetico, è fornito dai bit di dati registrati sulla superficie del disco in rotazione. La struttura della testina è ingegnerizzata in modo che le linee di flusso del campo magnetico si chiudano su di un sensore che offre al passaggio di corrente elettrica una resistenza elettrica variabile a seconda che sia stato registrato un "1" logico oppure uno "0" logico. L'effetto quantistico cui si fa riferimento presenta forti evidenze a temperature criogeniche, prossime allo zero assoluto, ma poiché un hard-disk deve poter funzionare a temperatura ambiente è indispensabile ricorrere alla nanotecnologia. Un preciso controllo su di una struttura di dimensioni nanometriche consente di amplificare l'effetto, renderlo fruibile e contenerne i costi di realizzazione.
Obiettivi.
Tra gli obiettivi più ambiziosi cui mira la spintronica vi è il controllo delle correnti spin-polarizzate, all'interno delle quali cioè tutti i portatori presentano medesimo spin, in modo che una nuova generazione di microprocessori si possa basare sul funzionamento di spin-transistor o spin-valve decisamente più veloci dei componenti attuali e con consumi energetici più contenuti. Presupposto alla realizzazione di questa nuova generazione di dispositivi è che due correnti di portatori, l'una avente spin 1/2 e l'altra spin -1/2, si possano considerare come non interagenti negli intervalli di tempo richiesti dall'elaborazione logica dell'informazione, in modo che ciò che si deve intendere come "1" logico non si tramuti casualmente in uno "0". Quest'ipotesi, detta di Mott, è stata ampiamente verificata: l'evento casuale che vede un portatore invertire il proprio spin, detto spin-flip scattering, è poco probabile rispetto ad un qualsiasi altro evento di interazione della particella, ad esempio con un'impurità, un difetto della struttura. L'evoluzione della spintronica non può prescindere dalla ricerca su nuovi materiali, sui loro accostamenti e sulla loro ingegnerizzazione, all'interno del vasto campo delle nanotecnologie.
Fonte: http://it.wikipedia.org
Un passo avanti verso i transistor spintronici.
Un gruppo di ricerca del NIST è riuscito a osservare in un condensato di Bose-Einstein l'effetto Hall quantistico di spin, in cui il moto delle particelle, in questo caso atomi, dipende dal loro stato di spin. Il risultato è stato ottenuto manipolando con alcuni laser un gas di atomi di rubidio raffreddato fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Il dispositivo realizzato può essere considerato un prototipo di un "transistor spintronico", in cui le correnti di spin sono manipolate come avviene in un transistor ordinario con le correnti di elettroni.
Fonte: http://www.lescienze.it
Spintronica, è l'ora dell'effetto Hall di spin "gigante".
Una sperimentazione sul tantalio ha permesso di dimostrare un effetto Hall quantistico di spin abbastanza intenso da poter essere sfruttato per un’efficiente inversione di spin e di momento in ferromagneti a temperatura ambiente, permettendo un passo avanti verso la realizzazione di tecnologie logiche basate sullo spin.
La spintronica – cioè la tecnologia che sfrutta lo spin e il momento magnetico degli elettroni per ottenere un trasporto e una manipolazione dell’informazione più efficienti – ha conosciuto un notevole sviluppo negli ultimi anni. L’ultimo risultato in ordine di tempo, è pubblicato sulla rivista “Science” a firma di un gruppo di ricercatori della Cornell University:
http://www.sciencemag.org
Come spiegano gli autori, correnti dotate di polarizzazione di spin possono essere utilizzate per applicare un momento meccanico ai dispositivi spintronici. Questa possibilità è di enorme rilevanza per questo campo di ricerca, perché permette una manipolazione di dispositivi magnetici alle nanoscale con correnti che sono alcuni ordini di grandezza inferiori rispetto a quelli richiesti per un controllo basato su campi magnetici.
Quale sorgente della corrente di spin è stato proposto l’effetto Hall. Scoperto dai fisici russi Mikhail I. Dyakonov e Vladimir Perel nel 1971, l’effetto Hall quantistico di spin è un fenomeno di trasporto che consiste nella comparsa di un accumulo di polarizzazione di spin sulle superfici laterali di materiali che trasportano corrente. In particolare, si osserva che su facce opposte i versi degli spin sono opposti.
Di fatto, tuttavia, la sua limitata intensità ne ha compromesso fortemente una diffusa applicazione.
In quest’ultimo studio Luqiao Liu e colleghi riferiscono di aver riscontrato un effetto Hall quantistico di spin gigante nel b-tantalio che genera correnti di spin abbastanza intense da indurre un’efficiente inversione di spin e di momento di ferromagneti a temperatura ambiente. L’intensità dell’effetto è stata quantificata mediante tre metodi indipendenti e sì è riusciti a dimostrare l’inversione degli spin su strati magnetizzati sia in direzione parallela al piano sia in direzione perpendicolare.
Oltre a ciò, gli studiosi hanno realizzato un dispositivo a tre terminali che utilizza la corrente che passa attraverso un doppio strato tantalio-ferromagnete per commutare un nanomagnete, con una giunzione a effetto tunnel magnetico che funge da elemento di lettura (come avviene normalmente nelle testine dei comuni hard-disk dei computer).
Quest’ultimo si configura come un semplice, efficiente e affidabile strumento in grado di eliminare i principali ostacoli allo sviluppo di una memoria magnetica e di tecnologie logiche basate sullo spin in grado di evitare il problema della volatilità che affligge i prototipi dello stesso tipo realizzati finora.
Fonte: http://www.lescienze.it
La spintronica aiuterà l’efficienza luminosa degli OLED.
Esistono nel mondo, ed anche in Italia, spin-off che studiano e commercializzano tecnologie per lo sviluppo di prodotti innovativi, quali memorie ed elementi logici spintronici, basati sui semiconduttori organici, ed in particolare ricercano come poter migliorare l'efficienza dei displays OLED mediante iniezione spin-polarizzata.
Queste società operano nello sviluppo di applicazioni nella spintronica che è una delle nuove frontiere dell’elettronica destinata a soppiantare l’elettronica tradizionale.
Spintronica è un neologismo derivante dalla contrazione dei termini inglesi spin ed electronics, in altre parole è la disciplina di una nuova elettronica fondata sullo spin.
Tradizionalmente tutti i dispositivi elettronici commerciali sono basati sul trascinamento per mezzo di un campo elettrico o sulla diffusione di portatori di carica, elettroni e lacune, disponibili nei semiconduttori. I dispositivi spintronici sono progettati in modo che si produca un'interazione tra un campo magnetico esterno alla struttura ed i portatori che fluiscono al suo interno; poiché alla proprietà intrinseca di spin è associato un momento magnetico.
In generale il momento magnetico è una grandezza fisica vettoriale che esprime le proprietà di un corpo assimilabile ad un dipolo magnetico come una calamita o un circuito elettrico. Quindi Il vettore momento magnetico ha un valore numerico (o scalare), una direzione e un verso, che dipende dal senso della corrente elettrica.
Per un circuito elettrico il valore numerico del momento magnetico è definito come il prodotto dell’intensità di corrente che vi circola per l’area racchiusa dal circuito, la direzione è perpendicolare al piano individuato dal circuito e il verso si ottiene con la regola della mano destra ( avvolgendo le dita nel senso della corrente, il verso del momento magnetico è indicato dalla punta del pollice).
Le argomentazioni espresse sul momento magnetico di una corrente elettrica permettono di definire anche il momento di corpi magnetizzati. Questo fenomeno magnetico, infatti, si può interpretare pensando a correnti elettriche circolari interne agli atomi, considerando la materia come un insieme di microscopici circuiti elettrici. Nel loro moto orbitale intorno al nucleo, gli elettroni costituiscono tante piccole correnti chiuse, ognuna delle quali caratterizzata da un momento magnetico specifico. Il momento magnetico del corpo è dato dalla somma vettoriale dei momenti associati a tutti gli elettroni atomici che esso contiene,
La spintronica intesa inizialmente come tecnologia di memorizzazione, da pochi anni a questa parte riesce a trovare nuovi spazi di ricerca nella cosiddetta spintronica organica, che punta a trovare nuove soluzioni tecnologiche anche nel campo degli OLED prevedendo, nel medio termine, un deciso aumento dell’efficienza luminosa per effetto della iniezione di portatori con spin polarizzato.
L’obiettivo è quello di sviluppare i materiali e le tecnologie per realizzare dispositivi elettronici, oltre le memorie, con proprietà notevolmente superiori a quelle basate sulla tecnologia attuale. L’utilizzo innovativo della iniezione di portatori con spin polarizzato in semiconduttori organici prevede applicazioni che interessano un settore dalle notevoli potenzialità quale quello degli schermi OLED, con la potenzialità di migliorare di un fattore fino a quattro la loro efficienza luminosa, attraverso applicazioni in dispositivi sia attivi che passivi, sviluppando l’elettronica di consumo dei telefoni cellulari, delle autoradio, degli schermi per personal computer e per televisori.
Studi di proprietà spettrali e di efficienza luminosa di OLED con uno o due elettrodi spin polarizzati nascono dall’idea di realizzare, nel settore dell’illuminotecnica, dispositivi spintronici con l’utilizzo combinato di semiconduttori organici e di materiali a magnetoresistenza colossale.
Si ricorda in conclusione che la magnetoresistenza è la proprietà di alcuni materiali di cambiare il valore della loro resistenza elettrica in presenza di un campo magnetico esterno. Questo effetto è stato scoperto da Lord Kelvin nel 1856, anche se i primi materiali studiati evidenziavano una variazione massima del 5% della resistenza elettrica. I materiali che mostrano queste variazioni sono detti a magnetoresistenza ordinaria (OMR-Ordinary MagnetoResistance), ma recenti scoperte hanno portato alla scoperta della magnetoresistenza gigante (GMR-Giant MagnetoResistance) e della magnetoresistenza colossale (CMR-Colossal MagnetoResistance), proponendo nuove aspettative di ricerca nella spintronica organica.
Fonte: http://chiacchieresulnano.blogspot.it
Il chip usato per la dimostrazione qui sotto. I dati sono stati archiviati per 112 secondi.
Spintronica, grande scoperta: il futuro è nell'atomo.
Passi avanti nella spintronica, la scienza che studia le strutture elettroniche e di spin dei vari materiali. Un gruppo internazionale di ricercatori - Università della Florida, dello Utah, di Londra e Sydney - è riuscito a capire come codificare un'informazione all'interno dello spin (momento angolare) di un elettrone di un nucleo atomico, che può essere letto elettronicamente. La scoperta potrebbe consentire, in un lontano futuro, di realizzare memorie più piccole e veloci.
Stando a quanto riportato da più siti web, i ricercatori sono riusciti a codificare un'informazione per oltre 100 secondi, un periodo di tempo mai raggiunto finora. Il loro approccio ha permesso ai dati di essere codificati sugli elettroni degli atomi di fosforo intrappolati nel silicio.
Il silicio "drogato" con il fosforo sembra essere una soluzione ideale per la spintronica, poiché ogni atomo di fosforo dona un elettrone in più che orbita piuttosto liberamente, ed è quindi suscettibile alla manipolazione nel cristallo di silicio. Il silicio, che costituisce già la spina dorsale degli attuali dispositivi, è il mezzo ideale per l'interfacciamento con l'elettronica esistente.
"Trovare un sistema compatibile con il silicio, il principale materiale usato nell'industria dei semiconduttori è particolarmente utile perché ha il potenziale per essere incorporato all'interno della tecnologia esistente", ha dichiarato Dane McCamey, uno dei ricercatori coinvolti nel progetto. "In futuro potremmo integrare informazioni basate sullo spin e dispositivi di elaborazione su un unico chip".
Nonostante questi passi avanti, per ridurre al minimo il movimento degli atomi oggi bisogna raffreddare il dispositivo ad alcuni gradi sopra lo zero assoluto (-273 gradi Celsius) e applicare campi magnetici 200.000 volte più potenti di quello terrestre. La sfida è solo all'inizio.
Fonte: http://www.tomshw.it
