Interfacce per l’elettronica basata sullo spin: l’Istituto per la microelettronica e i microsistemi del Cnr pubblica un nuovo volume
Pubblicata sulla prestigiosa rivista Advanced Materials Interfaces la Special Issue: “Interfaces in Spintronics“. Come illustrato nell’editoriale a firma di Roberto Mantovan dell’Istituto per la microelettronica e i microsistemi (Cnr-Imm, Unità di Agrate Brianza) in qualità di guest Editor, il volume raccoglie review, articoli di prospettiva e ricerche originali, tutti contributi ad accesso aperto ed aventi come focus l’intima connessione tra le proprietà delle interfacce tra materiali e la loro inclusione ed applicazione in dispositivi per l’elettronica basata sullo spin elettronico (spintronica): si va dallo sviluppo di nuovi materiali fino alla loro inclusione in dispositivi spintronici “maturi”.
Il termine spintronica è stato coniato nel 1996 da S. A. Wolf durante una riunione dell’agenzia per i progetti di ricerca avanzata per la difesa (DARPA), individuando un nome che identificasse un programma di ricerca volto a sviluppare dispositivi elettronici con funzionalità basata sullo spin elettronico [1]. In realtà, i primi dispositive basati sullo spin apparvero qualche anno prima, con il primo esperimento di trasporto spin-dipendente probabilmente riportato da R. Meservey e P. M. Tedrow nei primi anni ’70, nel quale misurarono la polarizzazione di spin in ferromagneti del gruppo 3d mediante misure di tunneling in superconduttori [2,3]. Senza alcun dubbio, la ricerca nel campo della spintronica con maggior impatto per la società (nonostante il termine “spintronica” non fosse ancora stato coniato) è quella condotta nella seconda metà degli anni ’80 sullo studio dei fenomeni di magnetoresistenza gigante (GMR), da parte dei gruppi di ricerca di A. Fert [4] e P. Grünberg [5], insigniti del premio Nobel per la fisica nel 2007 [6]. Le loro ricerche hanno fondato le basi per una rivoluzione nel campo dell’immagazzinamento dei dati, portando la capacità di accumulo negli hard disks da <1Gbit/in2 a ~600 Gbit/in2 [7], anche grazie agli sviluppi tecnologici portati in essere presso IBM da parte del gruppo di S. S. P. Parkin [8].
Non esiste dispositivo nel campo della spintronica nel quale le interfacce tra materiali aventi differenti proprietà chimiche, strutturali o magnetiche, non rivesta un ruolo fondamentale nel determinarne le funzionalità, come illustrato dai seguenti esempi. (i) Le performance delle giunzioni tunnel ferromagnetiche sono fortemente dipendenti dalla qualità dei processi di tunnelling tra materiali ferromagnetici, un processo largamente determinato dalle proprietà interfacciali. (ii) I fenomeni di inter-conversione spin-carica ed il conseguente accumulo di spin in eterostrutture composte da materiali magnetici e metalli pesanti (o materiali topologici), è in larga parte un processo dominato dalle interfacce. (iii) Le interazioni di Dzyaloshinskii-Moryia che guidano la formazione e manipolazione di schirmioni in strati magnetici ultrasottili sono fenomeni prettamente di interfaccia. (iv) Sistemi basati sull’interfacciamento di superconduttori con isolanti topologici sono visti come una possibile strada verso l’osservazione degli elusivi fermioni di Majorana.
Il campo della spintronica è più florido che mai. Mentre dispositivi basati su fenomeni magnetoresistivi sono ormai in produzione da anni, una pletora di nuovi materiali e concetti innovativi stanno gradualmente entrando in gioco, offrendo il potenziale per un significativo salto in avanti.
In questo volume speciale “Interfaces in Spintronics” per Advanced Materials Interfaces, si discute lo sviluppo di nuovi materiali (ferromagneti bi-dimensionali, isolanti topologici, semimetalli di Weyl, composti Heusler e composti ferri- ed antiferro-magnetici emergenti) e la loro inclusione in dispositivi per la spintronica, quali le giunzioni tunnel ferromagnetiche. Sono inoltre esposte ricerche volte alla manipolazione delle proprietà magnetiche dei materiali mediante interazioni con molecole, effetti magneto-ionici o magneto-elettrici, ed eccitazione luminosa. Inoltre, la caratterizzazione comprensiva delle interfacce con un ampio spettro di tecniche analitiche (quali misure di spin-orbit torque, spettroscopia al terahertz, risonanza ferromagnetica e spettroscopia Mössbauer) sono oggetto di interesse di diversi contributi scientifici. Grazie alla forte interdisciplinarietà dei lavori, il volume “Interfaces in Spintronics” getta le basi per una fruttuosa collaborazione tra gruppi di ricerca di tutto il mondo. Più che mai, le interfacce giocheranno un ruolo fondamentale nel determinare le funzionalità di dispositivi per la spintronica, fino al punto di costituire loro stesse il dispositivo. La condivisione di competenze complementari sarà fondamentale nell’affrontare le problematiche aperte, presenti e future, in tale entusiasmante campo di ricerca.
Referenze
[1] Interview of Stuart Wolf by Patrick McCray on 2006 March 23, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA, www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/30668 [2] R. Meservey, P. M. Tedrow, “Spin-dependent tunneling into ferromagnetic nickel”, Phys. Rev. Lett. 26, 192–195 (1971). [3] R. Meservey, P. M. Tedrow, “Spin polarization of electrons tunneling from films of Fe, Co, Ni, and Gd”, Phys. Rev. B 7, 318–326 (1973). [4] M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuzet, A. Friederich, and J. Chazelas, “Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988). [5] G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, and W. Zinn, “Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange”, Phys. Rev. Lett. 39, 4828 (1989). [6] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2007/summary/ [7] A. Fert, “Nobel Lecture: Origin, development, and future of spintronics”, Rev. Mod. Phys. 80, 1517 (2008). [8] Millennium Technology Prize, 2014 https://millenniumprize.org/winners/increased-data-storage-density/_