La ricerca scientifica sta generando nuove prospettive nel campo della spintronica, puntando verso dispositivi ultraveloci ed a bassissimo consumo energetico. Un recente studio condotto presso la Delft University of Technology ha dimostrato come il grafene, in combinazione con materiali magnetici stratificati, possa controllare lo spin degli elettroni senza l’impiego di magneti esterni. La scoperta si prospetta come un passo fondamentale nell’elettronica del futuro per l’integrazione della tecnologia quantistica nei circuiti di nuova generazione.
La spintronica è una delle frontiere più promettenti dell’ingegneria elettronica. Diversamente dai dispositivi convenzionali che sfruttano la carica elettrica, questa disciplina si concentra su una proprietà intrinseca degli elettroni, ovvero lo spin, caratteristica di natura prettamente quantistica che consente di codificare e manipolare informazioni con una stabilità e un’efficienza nettamente superiori rispetto ai tradizionali sistemi. Tuttavia, nonostante il potenziale elevatissimo, l’applicazione pratica ha incontrato negli anni una limitazione, data dalla necessità di campi magnetici esterni ingombranti e difficili da integrare nei chip miniaturizzati. Un avanzamento decisivo è stato ottenuto dal gruppo di ricerca guidato da Talieh Ghiasi presso la TU Delft. Gli studiosi hanno superato la dipendenza dai magneti esterni attraverso un approccio innovativo basato sull’effetto di prossimità magnetica. Collocando un monostrato di grafene su un materiale magnetico stratificato, il tiofosfato di cromo (CrPS₄), è stato possibile trasferire al grafene proprietà magnetiche senza applicare campi esterni. Tale fenomeno consente di indurre nel materiale due interazioni fondamentali, l’accoppiamento spin-orbita, che lega il movimento dell’elettrone al suo spin, e l’interazione di scambio, che ne orienta la direzione preferenziale.
La combinazione di tali forze ha portato alla formazione di uno stato quantistico noto come effetto Hall di spin quantistico (QSH). In questa condizione, gli elettroni percorrono esclusivamente i bordi del grafene mantenendo lo spin orientato in maniera coerente. Tale comportamento genera correnti estremamente stabili, capaci di resistere a imperfezioni strutturali e difetti del materiale. Le misurazioni hanno confermato che queste correnti si propagano lungo i margini del grafene per distanze dell’ordine di decine di micrometri, dimostrando un’elevata robustezza e aprendo la strada a circuiti quantistici ad altissima efficienza. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, ha evidenziato inoltre un fenomeno inatteso: l’effetto Hall anomalo (AH). In assenza di campi magnetici esterni, gli elettroni hanno mostrato deviazioni laterali spontanee, comportamento che sorprendentemente si mantiene anche a temperatura ambiente; la scoperta amplia notevolmente le prospettive applicative rendendo concepibile la realizzazione di memorie non volatili e logiche quantistiche a bassa dissipazione di calore, oltre a sistemi di trasmissione di informazioni quantistiche in grado di collegare qubit su lunghe distanze.
Permane tuttavia anche una sfida tecnica: l’effetto QSH, pur essendo ideale per i circuiti quantistici, si manifesta al momento solo a temperature criogeniche, condizione che ne ostacola l’immediata applicazione commerciale. La prossima fase di ricerca è orientata verso l’individuazione di combinazioni di materiali alternativi, con l’obiettivo di stabilizzare il fenomeno anche a temperature più elevate, rendendo così la tecnologia compatibile con le esigenze dell’elettronica di consumo.
Conclusioni
Le sperimentazioni condotte sulla combinazione di grafene e tiofosfato di cromo segnano un passo avanti nello sviluppo della spintronica. La possibilità di controllare lo spin senza magneti esterni, unita alla stabilità delle correnti quantistiche e alla persistenza dell’effetto Hall anomalo a temperatura ambiente, rappresenta una svolta tecnologica di grande portata. Se le ricerche future riusciranno a estendere la robustezza del QSH a condizioni operative più comuni, l’elettronica quantistica potrebbe trasformarsi da ambito sperimentale a realtà concreta, rivoluzionando i dispositivi del prossimo decennio.
