Una nuova ricerca realizzata da un team italiano della SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) formato da Angelo Valli, Adriano Amaricci, Valentina Brosco e Massimo Capone, ha scoperto alcune interessanti proprietà dei nanofiocchi di grafene che potrebbero gettare le basi per la creazione di processori e memorie di archiviazione dati più avanzate. Abbiamo avuto l'opportunità di parlare con il dottor Angelo Valli e il dottor Adriano Amaricci per avere maggiori dettagli.

"Stavamo già lavorando sui nanofiocchi di grafene per studiarne le proprietà magnetiche", spiega Angelo Valli, "e ci è sembrato interessante studiare le proprietà di trasporto considerando che il magnetismo in questi sistemi non è banale. Infatti, un foglio di grafene esteso, molto grande, normalmente non è magnetico. Il magnetismo è un fenomeno che nasce nei fiocchi ed è dovuto alla presenza dei bordi. Il magnetismo emerge spontaneamente, senza bisogno di campi magnetici esterni".

Il loro studio, pubblicato di recente sulla rivista Nano Letters, illustra come queste nanostrutture di forma esagonale permettano di sfruttare effetti quantistici per la modulazione del flusso di corrente. "La caratteristica fondamentale di un transistor è di avere uno stato on (acceso) e off (spento), che permette o meno il passaggio di corrente. L'idea di fondo del nostro lavoro si basa sul fenomeno dell'interferenza quantistica", spiega Angelo Valli.

"L'interferenza quantistica è una conseguenza della natura ondulatoria degli elettroni (che si comportano come onde). In presenza di interferenza puramente distruttiva nel sistema la corrente è nulla (stato off). Tuttavia, applicando una tensione si può ottenere una corrente finita (stato on) ".

A sinistra: spin filter fatto da un nanofiocco magnetico: una corrente di elettroni con spin 'up' e 'down' in uguali proporzioni scorre attraverso il dispositivo. A causa dell'interferenza distruttiva in un canale spin (per esempio down) la corrente in uscita è fatta prevalentemente di elettroni con spin up. A destra: illustrazione schematica del dispositivo e grafico dell'efficienza di spin-filtering.

"Questo tipo di proprietà si verificano su nanofiocchi di grafene in scala nanoscopica. Nella microelettronica attuale basata sui semiconduttori c'è una tendenza alla miniaturizzazione che si scontra con le limitazioni elettroniche dovute a problemi strutturali, legati alle dimensioni dei transistor che si vorrebbero costruire", aggiunge Adriano Amaricci. "C'è quindi una linea di ricerca che tenta di ovviare a questa problematica. Il fatto di avere la possibilità di accedere a un sistema nanoscopico ma con proprietà ben definite e una caratterizzazione del trasporto molto chiara è un punto importante per lo sviluppo tecnologico".

Le proprietà magnetiche intrinseche dei nanofiocchi potrebbero rappresentare un significativo passo avanti nel campo della spintronica. Di cosa si tratta? Adriano Amaricci spiega che è "un'evoluzione della microelettronica. Il problema di quest'ultima è che gli elettroni hanno proprietà particolari, hanno interazioni tra loro o ci sono problemi legati alla miniaturizzazione, quindi al numero di elettroni che possono condurre corrente".

"C'è quindi una tendenza a usare un altro tipo di proprietà degli elettroni, ossia non la carica ma lo spin: una proprietà quantistica dell’elettrone ben definita e robusta, che può assumere due valori generalmente chiamati up e down. L'obiettivo è creare un'elettronica che al posto di avere una corrente di carica abbia una corrente di spin".

"Il fiocco di grafene può essere visto come un blocco base per creare transistor o device più complessi in cui filtrare quale spin può passare", spiega Adriano Amaricci. "In questi sistemi si può selezionare quale sia lo stato on e quale quello off, in modo binario, basandosi sullo spin ma senza le complicazioni tipicamente connesse con la manipolazione di questo grado di libertà. Noi abbiamo creato un sistema in cui ottenere facilmente una corrente con spin definito".

Per riassumere: interferenza quantistica e magnetismo. L'unione di questi due fenomeni permetterebbe di ottenere "un transistor basato sulla polarizzazione dello spin, creando una corrente che è determinata esclusivamente da uno dei due stati dello spin dell'elettrone", spiega Angelo Valli.

Queste proprietà potrebbero essere usate, ad esempio, nelle tecnologie di memorizzazione ed elaborazione delle informazioni, interpretando lo spin come codice binario.

Siamo però solo alla ricerca di base e sono necessarie altre conferme. "Stiamo conducendo altri studi", aggiunge Angelo Valli. "Abbiamo indicazioni sul fatto che queste proprietà siano molto robuste e che si possano realizzare con le tecnologie attualmente disponibili. Detto questo lo studio è ancora a livello teorico e stiamo cercando una conferma sperimentale".

Si tratta di ricerca di base, quindi non aspettatevi risultati concreti nell'immediato. "La catena è molto lunga", spiega Adriano Amaricci. "Si parte da noi, la fisica di base, per poi passare ai fisici sperimentali e infine a gruppi più applicativi che partendo dagli studi svolti cercano d'implementare questa fenomenologia in dispositivi tecnologici".