Spintronik e Quanten: Ricercatore PSI riceve un finanziamento importante

Giacomo Sala è un fisico sperimentale presso il Centro di Ricerca sui Neutroni e i Muoni del PSI. Per il suo progetto Q-GEOMSPIN riceve un finanziamento dall'UE: un Starting Grant del Consiglio Europeo della Ricerca ERC. © Paul Scherrer Institut PSI/Markus Fischer

– Il fisico PSI Giacomo Sala riceve circa 2,2 milioni di CHF dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC).
– Nel progetto Q-GEOMSPIN combina due settori di ricerca, finora studiati in modo ampiamente separato.
– Da questa ricerca di base potrebbero nascere in futuro memorie dati e processori più efficienti dal punto di vista energetico.

Il fisico PSI Giacomo Sala ha ottenuto uno dei finanziamenti ambiti del Consiglio Europeo della Ricerca ERC – una cosiddetta Starting Grant. L’ERC sostiene il progetto di Sala Q-GEOMSPIN con 2,3 milioni di euro (circa 2,2 milioni di CHF) nei prossimi cinque anni. Poiché la Svizzera è nuovamente pienamente associata ai programmi di finanziamento della ricerca dell’Unione Europea dalla fine del 2025, Sala riceve questo finanziamento direttamente dall’ERC.

Ciò che rende eccezionale l’iniziativa di Sala è la combinazione di due settori di ricerca – spintronica e geometria quantistica – in un nuovo campo di studio. Le scoperte potrebbero aprire a lungo termine nuove possibilità per memorie spintroniche. Inoltre, potrebbero aiutare a ottenere piccole quantità di energia e sviluppare nuove proprietà dei materiali.

L’idea di Q-GEOMSPIN è nata durante due tappe della carriera scientifica di Sala. Durante il suo dottorato all’ETH di Zurigo ha studiato spintronica e magnetismo. Qualche tempo dopo, come ricercatore post-dottorato all’Università di Ginevra, si è dedicato alla geometria quantistica. La connessione tra i due ambiti lo ha portato a chiedersi se la geometria quantistica possa generare effetti spintronici finora trascurati. «Per quello che so, finora nessuno ha sperimentato congiuntamente questi due campi», afferma il fisico sperimentale del Centro di Ricerca sui Neutroni e i Muoni del PSI.

Un punto bianco sulla mappa della spintronica

La spintronica è un campo scientifico consolidato da trent’anni. La sua importanza è stata sottolineata con un premio Nobel per la fisica, assegnato nel 2007 per le sue ricerche. La spintronica sfrutta lo spin – la rotazione intrinseca – degli elettroni per memorizzare informazioni.

Negli ultimi anni si è però mostrato che la spintronica ha ancora un cosiddetto punto bianco sulla sua mappa: studi in fisica teorica indicano che alcuni fenomeni spintronici possono essere previsti, compresi e controllati grazie alla giovane geometria quantistica. In particolare, si tratta di un sotto-campo della geometria quantistica: la metrica quantistica.

Per illustrare l’idea della metrica quantistica, Sala utilizza un’analogia: la gravità. La forza di gravità fa orbitare la Terra intorno al Sole. Secondo Albert Einstein, la spiegazione corretta è invece una curvatura dello spazio causata dalla massa del Sole. «È più o meno così anche per gli elettroni che si muovono attraverso un solido», spiega Sala. A causa della metrica quantistica, lo spazio degli impulsi si curva. Gli elettroni «lo percepiscono» e vengono di conseguenza deviati.

Giacomo Sala potrà assumere due dottorandi e una persona a livello post-dottorale grazie al finanziamento appena concesso. Con questo piccolo team, nell’ambito di Q-GEOMSPIN, studierà tra l’altro materiali topologici. Sono solidi in cui l’interno è isolante, mentre sulla superficie conducono corrente elettrica. Sono inoltre previsti composti ossidici e materiali bidimensionali chiamati Van der Waals, come il grafene.

Dall’elettronica alla geometria quantistica

L’elettronica sfrutta solo la carica degli elettroni: la corrente scorre o non scorre – da qui nascono gli zero e gli uno dell’elaborazione digitale dei dati. Si utilizza quindi il movimento della carica.

La spintronica aggiunge una seconda proprietà: lo spin, il momento angolare quantistico intrinseco. In modo semplificato: un allineamento degli elettroni verso l’alto o verso il basso. Questa proprietà può essere usata per trasmettere informazioni.

La geometria quantistica descrive la struttura geometrica delle funzioni d’onda degli elettroni nel solido. Una parte di essa, la metrica quantistica, agisce come una gravità incorporata nel materiale e devia gli elettroni. La novità della metrica quantistica è che questa geometria diventa essa stessa un parametro di controllo e può essere collegata allo spin.

Raggi di sincrotrone e nanotecnologia: il PSI offre le infrastrutture necessarie

Sala e il suo team realizzeranno e misureranno strutture di pochi micrometri di dimensione. Queste saranno raffreddate vicino al punto zero assoluto di temperatura (-273,15°C). Per questo, il PSI, con i fondi ERC, realizzerà un criostato speciale: un sistema di raffreddamento che genera anche forti campi magnetici. Al suo interno, un impulso elettrico verrà inviato alla provetta e si misurerà la deviazione degli elettroni. I ricercatori cercheranno effetti non lineari, cioè variazioni minime di tensione o campo magnetico che producono grandi variazioni nelle misurazioni. Si aspettano che queste deviazioni forniscano indizi sulla geometria quantistica.

Il motivo per cui Sala si è rivolto al PSI è legato alla sua strategia di ricerca e alle infrastrutture uniche. Al nuovo «Centro di Materia Quantistica e Materiali» del PSI, chiamato QMMC, si riuniscono le attività di vari gruppi di ricerca del PSI nel campo della materia e dei materiali quantistici. Q-GEOMSPIN si inserisce perfettamente in questa nuova piattaforma di ricerca sulla quantistica.

Il PSI offre tutte le strutture di cui Sala e il suo team avranno bisogno per produrre e caratterizzare materiali, realizzare microcomponenti e condurre misure a basse temperature. Tra le altre cose, il team utilizzerà il sincrotrone SLS e il nuovo ambiente di produzione «PICO», gestito dal gruppo di nanotecnologia e particolarmente adatto alla realizzazione di componenti microscopici. Anche la fonte di neutroni a raggi spettrali SINQ del PSI potrebbe offrire interessanti opportunità di ricerca.

Q-GEOMSPIN potrebbe finalmente portare un grande progresso alla spintronica. Con l’eccezione della gigantesca magnetoresistenza, scoperta negli anni ’80 e che ha moltiplicato la capacità di memorizzazione dei dischi rigidi dei computer, le applicazioni commerciali sono ancora rare. Tra le speranze ci sono memorie spintroniche più potenti (MRAM) o processori che funzionano come il cervello. Sono anche discusse idee esotiche, come raccogliere energia dalle onde Wi-Fi inutilizzate. Giacomo Sala si mantiene realistico: «Q-GEOMSPIN è pura ricerca di base. Ma questa è importante per sviluppare applicazioni in futuro.»