I semiconduttori Spin-Gapless mostrano promesse nei dispositivi Spintronic

10 ore fa p Antonio Anzaldua Jr. L'elettronica e la tecnologia dell'informazione convenzionali si basano sulla carica e sul gap di banda dell'elettrone. Al contrario, il campo emergente della spintronica si basa sulla rotazione degli elettroni (il loro momento angolare intrinseco) oltre alla loro carica.
I ricercatori dell'Università di Wollongong (UoW) hanno recentemente completato un ampio studio sui semiconduttori spin-gapless (SGS), una nuova classe di materiali che collega semiconduttori e semimetalli. Questi ricercatori hanno iniziato a sperimentare materiali che avrebbero impedito la dissipazione di energia sprecata dalla conduzione elettrica. Gli esperti in questo campo affermano che SGS consentirà ai ricercatori di sviluppare meglio la spintronica ultraveloce a bassissima potenza.
I semiconduttori spin-gapless sono stati proposti per la prima volta dal professor Xiaolin Wang, direttore dell'Istituto per i materiali superconduttori ed elettronici presso UoW nel 2008. All'inizio delle loro ricerche, il professor Wang e il suo team avevano cercato di trovare materiali adatti per applicazioni spintroniche ultraveloci . L'obiettivo del team era far funzionare un dispositivo spintronico senza dissipazione di energia sprecata dalla conduzione elettrica.
Importante per la ricerca di Wang è stata la comprensione delle strutture delle bande dei diversi materiali. Ad esempio, in silicio, la banda di conduzione e valenza sono separate da un piccolo spazio. Con una piccola energia di soglia, può aumentare gli elettroni nella banda di conduzione del materiale.
Per i conduttori, un materiale ha bisogno di un piccolo spazio tra la valenza e la banda di conduzione per consentire agli elettroni di fluire facilmente. Negli isolanti, i materiali sono separati da una larghezza di banda maggiore, impedendo il flusso di elettroni. Nello studio, il professor Wang e il suo team hanno scoperto che un semiconduttore senza spin era dotato di banda di conduzione e valenza sul bordo.
Ciò significava che non era necessaria energia di soglia per spostare gli elettroni. Il nuovo materiale era quindi sensibile alle influenze esterne. SGS colma materiali a gap zero e mezzi metalli pur avendo elettroni e buchi completamente polarizzati.
All'inizio di questo mese, il professor Wang e il suo team di UoW hanno iniziato ad allontanarsi ulteriormente dai semiconduttori standard a base di silicio osservando un Dirac e tre sottotipi di SGS parabolici in diversi sistemi. La struttura della banda SGS rientra in due categorie di dispersione di energia: dispersione lineare di Dirac e dispersione parabolica. SGS classificato come dispersione di Dirac consente di eliminare la massa effettiva dell'elettrone.
I semiconduttori senza gap di spin di tipo Dirac possono ottenere un trasporto di carica senza dissipazione sul bordo del campione separando cariche completamente spin-polarizzate utilizzando un campo esterno applicato o una magnetizzazione interna. I sottotipi parabolici presentano un comportamento gapless per entrambe le bande di conduzione e valenza, ma ruotano in direzioni diverse. Tuttavia, i dispositivi spintronic richiedono solo un orientamento di spin.
I dispositivi Spintronic trasportano rapidamente gli elettroni senza dissipare energia. Questi dispositivi possono anche manipolare la carica e diventare controllabili dopo l'applicazione di energia esterna. Per soddisfare questi requisiti, il professor Wang ha cercato il modo di eliminare la massa di particelle cariche e di rendere tali cariche senza massa completamente polarizzate con spin elettroni. Il professor Wang ha condiviso le sue opinioni su come SGS avrà un impatto sulla spintronica: "Le potenziali applicazioni di SGS nei dispositivi spintronici di prossima generazione [includono] bassa elettronica e optoelettronica con alta velocità e basso consumo energetico". Poiché SGS consente il doppio della libertà di manipolazione, i dispositivi spintronic possono potenzialmente archiviare e trasferire dati in modo molto più efficiente. I ricercatori hanno selezionato il materiale Dirac SGS più utile a base di ossido di manganese a forma di reticoli a nido d'ape.
Il professor Wang ha proposto che ci sono due criteri di selezione chiave per la spintronica senza massa e senza dissipazione: vale a dire che sono ferromagnetici e hanno reticoli adeguati per creare la struttura di banda necessaria. Nell'ultimo decennio, un gran numero di Dirac o SGS di tipo parabolico sono stati previsti dalla teoria funzionale della densità e alcuni SGS parabolici sono stati dimostrati sperimentalmente in materiali monostrato e sfusi. Numerosi potenziali candidati per SGS di tipo Dirac sono stati esaminati nell'ultimo lavoro di Wang.
Nei circuiti a semiconduttore che usano il silicio come base, gli elettroni si disperdono dalle imperfezioni e dalla struttura, dissipando energia nel processo. È questa energia sprecata che costituisce la maggior parte del 5% dell'elettricità globale consumata nelle server farm e nei data center IT. Mentre è troppo presto per determinare se SGS sarà un notevole concorrente del silicio o di altri semiconduttori, gli ingegneri potrebbero vedere un eventuale aumento dei materiali a base di SGS nei dispositivi spintronici.
Questa ricerca di Dirac SGS per spintronica senza massa e dissipazione può stimolare interesse anche per altri candidati materiali.