Spintronica – I ricercatori confermano una svolta nella fisica con la scoperta di un fenomeno finora non rilevato

Uno studio recente ha identificato l'"effetto Hall orbitale," un fenomeno che potrebbe migliorare significativamente lo storage dati nei futuri dispositivi informatici. Questa scoperta, che coinvolge la generazione di elettricità attraverso il movimento orbitale degli elettroni, offre potenziali avanzamenti nel campo della spintronica, portando a materiali magnetici più efficienti, veloci e affidabili. Fonte: SciTechDaily.com

In una nuova scoperta, i ricercatori hanno utilizzato una nuova tecnica per confermare un fenomeno fisico precedentemente non rilevato, che potrebbe essere utilizzato per migliorare lo storage dati nella prossima generazione di dispositivi informatici.

Le memorie spintroniche, utilizzate nei computer avanzati e nei satelliti, sfruttano gli stati magnetici prodotti dal momento angolare intrinseco degli elettroni per lo storage e il recupero dei dati. A seconda del suo movimento fisico, lo spin di un elettrone produce una corrente magnetica. Noto come "effetto Hall di spin," questo ha importanti applicazioni per i materiali magnetici in molti settori diversi, che vanno dall'elettronica a basso consumo energetico alla meccanica quantistica fondamentale.

Più recentemente, gli scienziati hanno scoperto che gli elettroni sono in grado di generare elettricità attraverso un secondo tipo di movimento: il momento angolare orbitale, simile al movimento di rotazione della Terra intorno al sole. Questo è noto come "effetto Hall orbitale," ha detto Roland Kawakami, co-autore dello studio e professore di fisica all'Università dello Stato dell'Ohio.

I teorici avevano previsto che utilizzando metalli di transizione leggeri - materiali che hanno correnti spin Hall deboli - le correnti magnetiche generate dall'effetto Hall orbitale sarebbero state più facili da individuare fluendo al loro fianco. Fino ad ora, individuare direttamente una cosa del genere è stato una sfida, ma lo studio, guidato da Igor Lyalin, uno studente di dottorato in fisica, e pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, ha mostrato un metodo per osservare l'effetto.

"Nel corso dei decenni, c'è stata una continua scoperta di vari effetti Hall," ha detto Kawakami. "Ma l'idea di queste correnti orbitali è davvero nuova. La difficoltà è che sono mescolate a correnti di spin in tipici metalli pesanti ed è difficile distinguerle".

Al contrario, il team di Kawakami ha dimostrato l'effetto Hall orbitale riflettendo luce polarizzata, in questo caso un laser, su vari sottili film del metallo leggero cromo per analizzare gli atomi del metallo alla ricerca di un potenziale accumulo di momento angolare orbitale. Dopo quasi un anno di misurazioni accurate, i ricercatori sono stati in grado di rilevare un chiaro segnale magneto-ottico che ha mostrato che gli elettroni raccolti in un'estremità del film mostravano forti caratteristiche dell'effetto Hall orbitale.

Questa riuscita scoperta potrebbe avere enormi conseguenze per le future applicazioni spintroniche, ha detto Kawakami.

"Il concetto di spintronica è in giro da circa 25 anni e, sebbene sia stato molto buono per varie applicazioni di memoria, ora le persone stanno cercando di andare oltre," ha detto. "Ora, uno dei principali obiettivi del settore è ridurre la quantità di energia consumata perché è il fattore limitante per aumentare le prestazioni".

Ridurre la quantità totale di energia necessaria affinché i futuri materiali magnetici possano funzionare bene potrebbe potenzialmente consentire un consumo energetico inferiore, velocità più elevate e maggiore affidabilità, oltre ad aiutare a prolungare la durata tecnologica. Utilizzare correnti orbitali invece di correnti di spin potrebbe eventualmente risparmiare tempo e denaro a lungo termine, ha detto Kawakami.

Osservando che questa ricerca apre la strada per saperne di più su come questi strani fenomeni fisici si manifestano in altri tipi di metalli, i ricercatori dicono di voler continuare ad approfondire la complessa connessione tra effetti Hall di spin ed effetti Hall orbitali.

Riferimento: "Magneto-Optical Detection of the Orbital Hall Effect in Chromium" di Igor Lyalin, Sanaz Alikhah, Marco Berritta, Peter M. Oppeneer e Roland K. Kawakami, 11 ottobre 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.156702

Gli altri co-autori sono Sanaz Alikhah e Peter M. Oppeneer dell'Università di Uppsala e Marco Berritta sia dell'Università di Uppsala che dell'Università di Exeter. Questo lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation, il Consiglio di ricerca svedese, la National Infrastructure svedese per il calcolo e la Fondazione K. e A. Wallenberg.