21 luglio 2015

Un passo avanti verso la spintronica affidabile

La commutazione dello stato di spin di alcuni materiali avviene in soli 50 femtosecondi, cioè 100.000 volte più rapidamente di quanto ritenuto. Il risultato è un passo importante verso la realizzazione di circuiti spintronici, in cui l'elaborazione dei dati è basata sugli stati di spin di dispositivi microscopici(red)

La transizione di spin di un sistema può essere 100.000 volte più rapida di quanto stimato finora sulla base delle leggi della meccanica quantistica. Lo rivela uno studio pubblicato su "Nature Chemistry" da Majed Chergui e colleghi del Politecnico di Losanna. Il risultato è un grande passo in avanti per le ricerche nel campo della spintronica, cioè dell'elaborazione delle informazioni non più basata su circuiti elettronici ma sullo spin di fotoni, atomi e molecole.

Lo spin è una grandezza quantistica che viene attribuita alle particelle e che può essere assimilata a un momento angolare intrisenco, cioè alla rotazione di una particella su se stessa. Nel caso dell'elettrone, lo spin può assumere i valori +1/2 e -1/2, dove i segni + e - tengono conto delle due possibili orientazioni dello spin, indicate per definizione come "su" e giù". In un sistema costituito da molti elettroni, lo stato di spin complessivo deriva dalla somma algebrica dei singoli spin, e può quindi assumere i valori assoluti 0, 1/2, 1, 3/2, 2 e così via.

Durante una reazione chimica, uno o più elettroni possono cambiare l'orientazione dello spin, e lo spin complessivo può passare per esempio da 0 a 1, oppure da 1/2 a 3/2. Lo stesso processo di transizione può essere sfruttato per diverse applicazioni tecnologiche, come nel caso dei diodi organici a emissione di luce (OLED).

Nel caso della spintronica, la possibilità di commutare gli spin di un sistema in modo controllato sarebbe cruciale per circuiti affidabili e precisi. Finora tuttavia si riteneva che la commutazione di spin fosse troppo lenta per le applicazioni di calcolo, tra miliardesimi e milionesimi di secondo, ma non c'era uno strumento con una risoluzione temporale sufficiente a determinare
con precisione quanto potesse durare.

Un passo avanti verso la spintronica affidabile
Un'immagine dello spettroscopio ad alta risoluzione usato nello studio (Cortesia Alain Herzog/EPFL)
Il laboratorio di Chergui studia da anni i materiali più promettenti per le applicazioni di spintronica, tra cui quelli formati dal legame tra bipiridina e ferro. In questi materiali, lo stato complessivo di spin può cambiare tra i valori 0, 1 e 2. Usando una tecnica spettroscopica basata su due impulsi laser molto brevi, che investono in sequenza il campione, gli autori riescono a porre un limite superiore al tempo necessario alle transizioni di spin: nel 2009, in particolare,  hanno dimostrato la transizione caratteristica dallo stato 0 allo stato 2 può avvenire in meno di 150 femtosecondi, cioè 150 milionesimi di miliardesimi di secondo.

In quest'ultimo studio, hanno abbassato ulteriormente il limite di accuratezza dell'apparecchiatura spettroscopica, dimostrando che la stessa transizione di spin da 0 e 2, avviene in meno di 50 femtosecondi, ed è quindi 100.000 volte più rapida di quanto ritenuto finora.  È un intervallo di tempo così breve da poter escludere che il sistema passi attraverso degli stati intermedi: semplicemente non c'è tempo sufficiente.

"Si tratta di un limite superiore quindi probabilmente il tempo richiesto è ancora più breve", ha spiegato Chergui. "Ma l'aspetto più importante è che un processo diretto".