Uno studio guidato dal Cnr-Nano rende possibile l’integrazione delle correnti di spin nelle applicazioni della Teoria del Funzionale Densità
La teoria della relatività speciale di Einstein è nota per aver previsto una serie di fenomeni sorprendenti, come il paradosso dei gemelli che invecchiano a ritmi diversi quando viaggiano ad alta velocità. Meno noto è che la relatività speciale regola anche il comportamento dei materiali che ci circondano. Come quando gli elettroni, che si muovono ad alta velocità, sperimentano un’interazione straordinaria in cui il loro moto orbitale si intreccia con il loro stato magnetico interno. Questo fenomeno è noto come accoppiamento spin-orbita (SOC), e rende possibile la formazione di correnti di spin. Tali correnti sono di fatto dovute a elettroni che si spostano attraverso il materiale portando con sé il loro spin che può essere manipolato, permettendo ad esempio di realizzare dispositivi avanzati per la memorizzazione e l’elaborazione dell’informazione.
Uno studio coordinato da Stefano Pittalis, ricercatore dell’Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr Nano), insieme a colleghi dell’Università di Torino e dell’Università Nazionale di Singapore, mostra come sia possibile includere la descrizione delle correnti di spin nella modellazione teorica dei materiali, basandosi esclusivamente sui principi fondamentali della meccanica quantistica. Questa estensione permetterà di effettuare simulazioni più accurate, per una serie di materiali che presentano proprietà non banali legate all’accoppiamento degli orbitali di spin e alle correnti di spin, consentendo il trasporto e l’archiviazione delle informazioni a un costo energetico inferiore rispetto alle tecnologie elettroniche tradizionali.
Nel loro studio, appena pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, Pittalis e colleghi hanno mostrato come tenere conto dell’effetto del flusso degli spin degli elettroni nei modelli dei materiali. I ricercatori hanno agito su uno degli approcci più ampiamente usati per la modellazione dei materiali: la Teoria Funzionale della Densità (DFT), un metodo di calcolo che bilancia accuratezza e sforzo computazionale nella simulazione di materiali quantistici. L’elemento centrale della DFT è l’energia di scambio-correlazione, un funzionale della densità di carica che tiene conto dell’influenza delle interazioni tra gli elettroni. Sebbene il funzionale esatto sia ben definito, i calcoli pratici richiedono approssimazioni e tra queste il funzionale SCAN (strongly-constrained-appropriately-normed) è un’approssimazione moderna di successo. Tuttavia, in presenza di accoppiamento spin-orbita (SOC), l’energia di scambio-correlazione deve tenere conto delle correnti di spin, un requisito che non è soddisfatto dallo SCAN originale e da altre approssimazioni tradizionali.
I ricercatori hanno introdotto un metodo non empirico per incorporare le correnti di spin nel funzionale SCAN e in approssimazioni simili. Hanno raggiunto questo obiettivo seguendo il Principio di Gauge, un concetto fondamentale ma affascinante della meccanica quantistica. “Nonostante la sua complessità, questo principio implica un fatto semplice: il funzionale energetico di scambio-correlazione dipende esclusivamente dalle proprietà fisiche intrinseche dello stato in esame, anziché dalla rappresentazione specifica utilizzata nei vari calcoli. Di conseguenza, l’inclusione delle correnti di spin in funzionali come SCAN può essere determinata senza ambiguità”, spiega il ricercatore.
L’interesse per le correnti di spin è giustificato dal loro potenziale utilizzo nelle tecnologie per spostare informazioni con un minore dispendio di energia rispetto alle tecnologie tradizionali che utilizzano cariche di elettroni.
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