Il campo elettrico inverte la chiralità del fonone e la direzione dello spin nel cristallo ferroelettrico

Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che un campo elettrico può invertire sia la chiralità che la direzione di spin dei fononi in un cristallo ferroelettrico, segnando una svolta nella spintronica. Lo studio, condotto utilizzando solfato di triglicina (TGS), un cristallo molecolare ferroelettrico, mostra che l'applicazione di un campo elettrico durante la fase ferroelettrica consente il controllo attivo della chiralità dei fononi e della direzione di spin associata. Questa scoperta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di dispositivi spintronici più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico. L'esperimento ha coinvolto il raffreddamento del TGS nella sua fase ferroelettrica, dove i dipoli si allineano per produrre una polarizzazione spontanea.

I ricercatori hanno quindi applicato un campo elettrico, causando l'allineamento dei momenti dipolari in una particolare direzione. Questo allineamento ha permesso loro di commutare le direzioni polari e chirali del cristallo, controllando efficacemente la chiralità dei fononi. Il processo è stato monitorato utilizzando l'effetto Kerr magneto-ottico a risoluzione temporale (TR-MOKE), consentendo ai ricercatori di misurare la direzione di polarizzazione dello spin e osservare come è cambiata in risposta all'inversione della chiralità.

Secondo Xiaotong Li, assistente professore di chimica alla North Carolina State University e co-corrispondente autore dello studio, i risultati dimostrano che la ferroelettricità controlla la chiralità strutturale, che a sua volta attiva i fononi chirali sotto il flusso di calore.

Yi Xia, assistente professore di ingegneria meccanica e dei materiali presso la Portland State University e co-autore corrispondente del lavoro, ha osservato che queste simulazioni supportano i risultati sperimentali e forniscono informazioni sulla fisica fondamentale in gioco. Xiang-Bin Han, ricercatore post-dottorato nel gruppo Li presso NC State e co-primo autore dello studio, ha sottolineato le implicazioni pratiche della scoperta.

Ha spiegato che la capacità di controllare la direzione dello spin attraverso un campo elettrico, piuttosto che affidarsi a campi magnetici esterni o altri meccanismi complessi, potrebbe semplificare la progettazione di dispositivi spintronici. Dal punto di vista del dispositivo, ha aggiunto, l'uso di un campo elettrico per regolare la chiralità dei fononi tramite l'elettrone, l'accoppiamento dei fononi potrebbe ridurre la necessità di componenti aggiuntivi, rendendo la tecnologia più compatta ed efficiente. Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nel campo della spintronica, dove la manipolazione dello spin degli elettroni piuttosto che della carica viene esplorata per applicazioni di calcolo avanzate.

Dimostrando il controllo elettrico diretto della chiralità e dello spin dei fononi, i ricercatori hanno aperto nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi elettronici di nuova generazione che funzionano con maggiore velocità e minore consumo energetico.