Una collaborazione di ricerca europea ha dimostrato un nuovo metodo per controllare le correnti di spin nel grafene utilizzando un monostrato ferroelettrico di seleniuro di indio (In₂Se₃). Questo approccio, convalidato attraverso principi primi e simulazioni strettamente vincolanti, rivela che la commutazione della polarizzazione di In₂Se₃ può invertire la direzione delle correnti di spin nel grafene, creando di fatto un interruttore di spin elettrico. La scoperta segna un passo significativo verso dispositivi spintronici non volatili e ad alta efficienza energetica che non si basano sui campi magnetici.
L’ascesa della spintronica e il potenziale del grafene
Per due decenni, la spintronica è stata una delle principali frontiere della nanoelettronica, con l’obiettivo di sfruttare lo spin degli elettroni per trasportare ed elaborare le informazioni. A differenza dell’elettronica tradizionale basata sulla carica, i sistemi basati sullo spin promettono sostanziali riduzioni del consumo energetico, della dissipazione del calore e velocità operative più elevate, oltre alla conservazione non volatile dei dati. Tuttavia, il raggiungimento di un controllo elettrico preciso e a bassa energia sulle correnti di spin senza campi magnetici esterni è rimasto un grosso ostacolo.
La manipolazione magnetica, sebbene efficace, presenta sfide in termini di scalabilità, efficienza e compatibilità con le tecnologie dei semiconduttori. I materiali bidimensionali (2D), in particolare il grafene, sono emersi come una potenziale soluzione. L’eccezionale mobilità elettronica del grafene e il lungo tempo di rilassamento dello spin lo rendono un ottimo candidato per la spintronica, ma il suo debole accoppiamento spin-orbita limita il controllo diretto dello spin.
Eterostrutture e controllo ferroelettrico
Per superare i limiti del grafene, i ricercatori si sono rivolti alle eterostrutture di van der Waals, impilando il grafene con altri materiali 2D per indurre nuove funzionalità attraverso effetti di prossimità. Particolarmente promettente è l’accoppiamento del grafene con materiali ferroelettrici, che hanno una polarizzazione elettrica spontanea controllabile dalla tensione. Quando un materiale ferroelettrico entra in contatto con il grafene, il suo dipolo elettrico rompe la simmetria di inversione sull’interfaccia, consentendo potenzialmente l’orientamento dello spin tramite pura commutazione elettrica.
La nuova ricerca introduce una piattaforma eterostruttura grafene/In₂Se₃ in cui la polarizzazione ferroelettrica di In₂Se₃ modula l’accoppiamento spin-orbita nel grafene. Le simulazioni mostrano che invertendo la polarizzazione si inverte il segno dell’effetto Rashba-Edelstein, cambiando la chiralità delle trame di spin e la direzione della corrente di spin, il tutto senza campi magnetici e con un consumo energetico minimo una volta impostata la polarizzazione.
Risultati chiave: controllo dello spin tramite commutazione ferroelettrica
Il gruppo di ricerca ha studiato le eterostrutture di grafene/In₂Se₃ sia in configurazioni allineate (0°) che ritorte (17,5°). Calcoli dettagliati della struttura elettronica hanno rivelato che l’inversione della polarizzazione ferroelettrica di In₂Se₃ inverte il coefficiente di conversione carica-spin, creando un “interruttore di chiralità” elettrico per le correnti di spin nel grafene.
A torsione zero, il sistema mostra un effetto Rashba-Edelstein (REE) convenzionale, in cui una corrente di carica genera un accumulo di spin trasversale allineato con la polarizzazione ferroelettrica. A una torsione di 17,5°, il sistema passa a un effetto Rashba-Edelstein non convenzionale (UREE), in cui la corrente di spin diventa quasi collineare con il flusso di carica a causa di un nuovo campo Rashba radiale, precedentemente inaccessibile nei sistemi planari di grafene.
Implicazioni per i futuri dispositivi spintronici
Questi risultati forniscono una base teorica per i transistor di spin basati su grafene controllati dalla commutazione ferroelettrica, consentendo potenzialmente la logica di spin di prossima generazione e dispositivi di memoria con basso consumo energetico e alta velocità. Lo studio evidenzia la promessa di integrare materiali ferroelettrici 2D con il grafene per sbloccare nuove funzionalità spintroniche.
La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla convalida sperimentale di questi risultati per realizzare completamente dispositivi spintronici non volatili e controllati elettricamente. La capacità di manipolare le correnti di spin senza campi magnetici rappresenta un passo fondamentale verso tecnologie spintroniche più efficienti e scalabili
