La possibilità di avere dispositivi elettronici incredibilmente veloci e che consumano una frazione dell'energia attuale, è il sogno della spintronica, un campo di ricerca che non si basa sulla carica elettrica degli elettroni, come l'elettronica tradizionale, ma su una loro proprietà quantistica chiamata "spin". Sebbene la promessa sia enorme, la sua applicazione pratica, specialmente in materiali promettenti come il grafene, ha sempre incontrato un ostacolo significativo. Fino ad ora, per controllare queste speciali correnti di spin era necessario l'impiego di ingombranti campi magnetici, quasi impossibili da integrare su un chip di dimensioni ridotte.
Un team di ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft) nei Paesi Bassi, guidato da Talieh Ghiasi, ha però trovato un modo incredibilmente ingegnoso per aggirare questo problema. Invece di forzare il comportamento del grafene dall'esterno, hanno adottato un approccio diverso, quasi collaborativo. Hanno posizionato un singolo strato di grafene sopra un materiale magnetico a strati chiamato tiofosfato di cromo (CrPS₄). Questa vicinanza strategica permette al materiale sottostante di influenzare gli elettroni del grafene attraverso un fenomeno noto come "effetto di prossimità magnetica", eliminando di fatto la necessità di magneti esterni.
Questa interazione induce nel grafene due forze fondamentali: l'accoppiamento spin-orbita, che lega il movimento di un elettrone al suo spin, e l'interazione di scambio, che favorisce determinate direzioni di spin. L'effetto combinato di queste forze è la creazione di uno stato molto ricercato della materia, noto come "effetto Hall di spin quantistico" (QSH).
In questa condizione, gli elettroni si muovono esclusivamente lungo i bordi del materiale, come se viaggiassero su corsie preferenziali ad altissima velocità, e i loro spin sono tutti orientati nella stessa direzione. Questo flusso è straordinariamente stabile e non viene disturbato da piccole imperfezioni o difetti del materiale, uno scenario ideale per creare circuiti efficienti e a basso consumo energetico. I ricercatori hanno confermato che queste correnti di spin quantistiche scorrevano stabilmente lungo i bordi del grafene per distanze di decine di micrometri.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Communications, ha però riservato anche una sorpresa. Oltre all'effetto QSH, osservato a temperature criogeniche molto basse, il team ha rilevato anche un "effetto Hall anomalo" (AH). In questo caso, gli elettroni vengono deviati lateralmente anche senza un campo magnetico esterno, ma la scoperta più rilevante è che questo comportamento anomalo persiste persino a temperatura ambiente. Questa doppia scoperta apre scenari applicativi molto vasti, che spaziano dalla creazione di memorie e circuiti logici ultrasottili, più freschi ed efficienti, fino alla trasmissione di informazioni quantistiche su distanze maggiori, un passo che potrebbe rivelarsi cruciale per collegare i qubit nei futuri computer quantistici basati sull'AI.
Naturalmente, c'è ancora una sfida da superare. L'effetto QSH, il più adatto per lo sviluppo di circuiti puramente quantistici, si manifesta per ora solo a temperature bassissime, limitandone l'uso immediato nell'elettronica di consumo. Il prossimo obiettivo dei ricercatori è proprio quello di trovare modi per rendere questo effetto più robusto a temperature più elevate, esplorando anche altre combinazioni di materiali per perfezionare ulteriormente questa affascinante tecnologia.
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