La spintronica diventa chirale

Sala bianca del Fraunhofer IPMS con impianti da 300 mm per ricerca e sviluppo. © Fraunhofer IPMS / Sala bianca da 300 mm al Fraunhofer IPMS © Fraunhofer IPMS

Strumenti per la fabbricazione di sottili strati presso l'MPI CPfS. © MPI CPfS / Strumenti di fabbricazione per film sottili presso l'MPI CPfS © MPI CPfS

Gli elementi spintronici si basano sull'utilizzo del spin fondamentale dell'elettrone per la trasmissione e l'archiviazione di informazioni. Il loro impiego non richiederebbe correnti di carica per il funzionamento e porterebbe a una maggiore efficienza energetica con un minor consumo di energia, una velocità di elaborazione dei dati superiore e una migliore integrazione tra memoria e logica. Tuttavia, sono necessari materiali adatti per nuove implementazioni spintroniche. La loro produzione e analisi richiedono metodi all'avanguardia della nanotecnologia. Per questo motivo, ricercatori dell'Istituto Max-Planck per la Fisica Chimica dei Solidi e dell'Istituto Fraunhofer per i Sistemi Microfotonicici IPMS hanno avviato un progetto congiunto per la ricerca di nuovi materiali per la spintronica. Il progetto è finanziato dalla Banca di Sviluppo della Sassonia.

Le tecnologie di elaborazione delle informazioni e di archiviazione dati, ad esempio per la memoria dei computer o i dischi rigidi nei data center, si basano oggi sull'uso di flussi di carica, che sono naturalmente associati a perdite e a un elevato consumo energetico. Un concetto alternativo è offerto dalla moderna tecnologia CMOS, che utilizza il momento magnetico di ogni elettrone, una proprietà quantistica chiamata "spin". Questo permette una velocità di elaborazione dei dati superiore e una migliore integrazione tra memoria e logica con un minor consumo di energia complessivo. Per raggiungere questi obiettivi, è necessario trovare soprattutto nuovi materiali con le proprietà desiderate, che consentano un'elevata efficienza dei flussi di spin. Qui si inserisce il progetto "Spintronica Topologica: Materiali compatibili con CMOS della famiglia B20" dell'Istituto Max-Planck per la Fisica Chimica dei Solidi e dell'Istituto Fraunhofer per i Sistemi Microfotonicici IPMS.

I cristalli chirali sono una classe di materiali promettenti, le cui possibilità di impiego nell'elettronica basata sullo spin sono ancora ampiamente inesplorate. Nei materiali chirali, gli atomi di cui il cristallo è costituito possono presentarsi in due disposizioni non equivalenti, che assomigliano alle immagini speculari l'una dell'altra. Questo è paragonabile alle nostre mani destra e sinistra, che non possono sovrapporsi se entrambe le palme sono rivolte verso il basso – e viene chiamato Chirality. Il progetto mira a colmare il divario tra la comprensione della relazione tra chirality e flussi di spin e la valutazione del potenziale dei materiali chirali per applicazioni elettroniche.

L'Istituto Max-Planck per la Fisica Chimica dei Solidi e l'Istituto Fraunhofer IPMS si sono uniti per studiare le proprietà di materiali chirali non magnetici e andare oltre quanto finora conosciuto. Il finanziamento della Banca di Sviluppo della Sassonia per il progetto "Spintronica Topologica: Materiali compatibili con CMOS della famiglia B20" permette agli istituti di Dresda di investire in nuovi dispositivi per le loro ricerche e sviluppi avanzati. I partner utilizzeranno le eccellenti strutture per la crescita di materiali per esplorare nuovi materiali chirali con alta conversione di carica e spin. Questi materiali saranno integrati nella produzione di componenti magnetici di alta qualità per future applicazioni spintroniche.

Il gruppo della Prof.ssa Claudia Felser presso l'Istituto Max-Planck per la Fisica Chimica dei Solidi di Dresda è riconosciuto a livello internazionale per le sue ricerche su nuovi materiali quantistici topologici. "Lo spin e la carica degli elettroni nei cristalli chirali aprono una nuova strada per l'elettronica ad alta velocità, ma il percorso dal materiale al componente è ancora lungo", afferma la Prof.ssa Claudia Felser, direttrice dell'istituto a Dresda. "Con i nostri colleghi del Fraunhofer IPMS abbiamo la possibilità di abbreviare questa strada." "Questo progetto combina la nostra esperienza nel campo della topologia, nella crescita di sottili strati epitassiali di alta qualità e nella nostra esperienza in spintronica, permettendoci di scoprire nuovi materiali di tipo spin-Hall della famiglia B20 con alta efficienza", dice il Dott. Anastasios Markou, responsabile del gruppo di Felser.

"Questa partnership ci porterà al livello successivo. Con i nostri colleghi dell'Istituto Max-Planck possiamo lavorare con materiali che nel mondo CMOS ancora non sono disponibili", aggiunge il Dott. Maik Wagner-Reetz, responsabile delle attività di spintronica presso Fh IPMS. Il Centro per le Tecnologie Nanoelettroniche del Fraunhofer IPMS sviluppa soluzioni per processi e componenti su wafer da 300 mm, per trasferire i risultati della ricerca di base nell'applicazione industriale. Le competenze principali includono l'integrazione di nuovi materiali e la produzione di componenti compatibili con CMOS da 300 mm.

Riferimenti

[1] P. Narang, C. A. C. Garcia, C. Felser, Nat. Mater. 20, 293 (2021).
[2] N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, e C. Felser, Chem. Rev. 121, 2780 (2021).
[3] N. B. M. Schröter, [...], & C. Felser, Science 369, 179 (2020).
[4] M. Yao, [...], & C. Felser, Nat. Commun. 11, 2033 (2020).