Spintronica

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Il neologismo spintronica deriva dalla contrazione dei termini anglosassoni "Spin Based 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 ed il magnetismo proponendosi di affidare allo spin dei portatori la codifica binaria, anziché alla modulazione della carica elettrica. Lo spin, essendo quantizzato ed avendo due sole configurazioni possibili (diciamo "up" o "down") si presta immediatamente all'implementazione del codice binario.

Tradizionalmente tutti i dispositivi elettronici commerciali sono basati sul trascinamento a mezzo di un campo elettrico o sulla diffusione di portatori di carica, elettroni e lacune, disponibili nei semiconduttori. I dispositivi spintronici vengono 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, è idealmente possibile accoppiare a tale caratteristica una modulazione qualsiasi.

[modifica] Prime applicazioni

Un esempio di dispositivo spintronico universalmente diffuso è costituito dalle testine di lettura degli hard disk più recenti, basate su di un 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 magnetico si chiudano su di un sensore che offre al passaggio di corrente una resistenza 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.

[modifica] 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.