Spintronica: dispositivi, vantaggi

La spintronica è uno dei campi emergenti per i dispositivi nanoelettronici di prossima generazione per ridurre il consumo di energia e aumentare la memoria e le capacità di elaborazione.
In meccanica quantistica lo spin è una forma intrinseca del momento angolare trasportato da particelle elementari, particelle composte (adroni), e nuclei atomici.

Lo spin è uno dei due tipi di momento angolare in meccanica quantistica, essendo l’altra il momento angolare orbitale.

Il momento angolare orbitale è la controparte meccanica quantistica alla classica nozione di momento angolare. Si verifica quando una particella esegue una traiettoria di rotazione o torsione (ad esempio quando un elettrone orbita un nucleo).

Come un pianeta in orbita intorno al sole che ruota  attorno al proprio asse e possiede sia un momento angolare orbitale che di spin, un elettrone orbita attorno ad un nucleo  e proprio come i pianeti che possono ruotare in senso orario o antiorario, lo spin dell’elettrone può anche essere considerato in senso orario o in senso antiorario: esistono infatti due possibili rotazioni dell’elettrone con i campi magnetici ad esse associate:  + ½ e – ½ .

Vantaggi della spintronica

La spintronica (spin transport electronics) è una tecnologia emergente che  sfrutta sia lo spin intrinseco dell’elettrone che il suo momento magnetico associato, oltre alla sua carica elettronica fondamentale per ottenere dispositivi nell’ambito dell’elettronica con nuove funzionalità e performance migliori.

I vantaggi di questi dispositivi consistono in una maggiore velocità nell’elaborazione dei dati, maggiore densità di transistor rispetto a quelli convenzionali.

In questo campo della ricerca i semiconduttori semimagnetici costituiscono materiali di riferimento. In essi metalli delle terre rare o metalli di transizione sostituiscono ioni presenti nel reticolo cristallino con ottenimento di dispositivi che combinano la microelettronica standard con gli effetti dipendenti dallo spin che nascono che nascono dall’interazione dello spin del trasportatore e le proprietà magnetiche del materiale.

I dispositivi microelettronici si sono finora  basati sul controllo della carica di elettroni, sia immagazzinandola che inviandola come corrente. Tuttavia, la corrente elettrica è in realtà composta da due tipi di elettroni, “spin-up” e ” spin-down”, che  formano due correnti di spin indipendenti. Negli ultimi anni con la spintronica c’è stata una rivoluzione su come  generare, manipolare e rilevare   la corrente elettrica spin-polarizzata che rende possibili nuove classi di sensori e dispositivi logici. Questo nuovo campo della scienza e della tecnologia è ora comunemente indicato come spintronica.

Una  classe di materiali particolarmente importante è costituita da eterostrutture magnetiche  o multistrato. L’elemento fondamentale è un sandwich di due strati magnetici ultra-sottili separati da un conduttore non magnetico o da strati isolanti. Tali sandwich possono presentare variazioni enormi della conduttanza quando è modificato l’orientamento magnetico.

Dispositivi

Tutti i dispositivi spintropici seguono il schema seguente:

1)      Le informazioni sono memorizzate in spin come un orientamento particolare di spin ( su o giù)

2)      Gli spin essendo uniti a elettroni mobili portano l’informazione

3)      L’informazione è letta

L’orientamento dello spin degli elettroni di conduzione sopravvive per un tempo relativamente lungo. Ciò rende i dispositivi spintronici particolarmente adatti per le applicazioni di immagazzinamento  della memoria e per sensori magnetici.

L’uso dei semiconduttori per la spintronica è iniziato con la proposta teorica di un transistor ad effetto di campo di spin da parte del ricercatore americano Supriyo Datta nel 1990 e della risonanza di spin del dipolo elettrico da parte del fisico teorico Emmanuel I. Rashba Rashba nel 1960.