Spintronica e quantistica: un ricercatore del PSI riceve un importante finanziamento

Il fisico del PSI Giacomo Sala si è aggiudicato una delle ambite sovvenzioni del Consiglio europeo della ricerca (ERC): un cosiddetto «Starting Grant». L’ERC sosterrà il progetto Q-GEOMSPIN di Sala con 2,3 milioni di euro (circa 2,2 milioni di CHF) nei prossimi cinque anni. Poiché dalla fine del 2025 la Svizzera è nuovamente pienamente associata ai programmi di finanziamento della ricerca dell’Unione Europea, Sala riceve questo finanziamento direttamente dall’ERC.

L’aspetto straordinario dell’iniziativa di Sala è la combinazione di due settori di ricerca – la spintronica e la geometria quantistica – in un nuovo campo di ricerca. Le conoscenze che ne deriveranno potrebbero aprire, a lungo termine, nuove possibilità per i dispositivi di memorizzazione dati spintronici. Inoltre, potrebbero contribuire a ricavare piccole quantità di energia e a sviluppare nuove proprietà dei materiali.

L’idea di Q-GEOMSPIN è nata durante due tappe della precedente carriera scientifica di Sala. Durante il dottorato all’ETH di Zurigo ha svolto ricerche sulla spintronica e sul magnetismo. Poco dopo, come post-dottorando all’Università di Ginevra, si è dedicato alla geometria quantistica. La combinazione di queste due prospettive lo ha portato a chiedersi se la geometria quantistica generi effetti spintronici finora trascurati. «Per quanto ne so, finora nessuno ha collegato sperimentalmente questi due campi», afferma il fisico sperimentale del Centro di ricerca sui neutroni e sui muoni del PSI.

Una lacuna nella mappa della spintronica

La spintronica è un campo scientifico consolidato da trent’anni. La sua importanza è stata sottolineata da un Premio Nobel per la Fisica, assegnato nel 2007 proprio per la ricerca in questo campo. La spintronica sfrutta lo spin – la rotazione intrinseca – degli elettroni per memorizzare informazioni.

Negli ultimi anni, tuttavia, è emerso che la spintronica presenta, per così dire, ancora una zona d’ombra: alcuni studi di fisica teorica suggeriscono che determinati fenomeni spintronici possano essere previsti, compresi e controllati grazie alla giovane disciplina della geometria quantistica. Nello specifico, si tratta di un sottocampo della geometria quantistica: la metrica quantistica.

Per illustrare il concetto di metrica quantistica, Sala ricorre ad un’analogia: la gravità. La forza gravitazionale fa sì che la Terra ruoti attorno al Sole. Secondo Albert Einstein, tuttavia, la spiegazione corretta di questo fenomeno è una curvatura dello spazio causata dalla massa del Sole. «Lo stesso vale per gli elettroni quando si muovono attraverso un solido», spiega Sala. A causa della metrica quantistica, lo spazio degli impulsi si curva. Gli elettroni «percepiscono» questo fenomeno e vengono di conseguenza deviati.

Grazie al finanziamento ora concesso, Giacomo Sala potrà assumere due dottorandi e una persona a livello post-dottorato. Insieme a questo piccolo team, nell’ambito del progetto Q-GEOMSPIN studierà, tra l’altro, i materiali topologici. Si tratta di solidi che all’interno sono isolanti, mentre in superficie conducono la corrente elettrica. Il programma prevede anche lo studio di composti ossidici e dei cosiddetti materiali bidimensionali di Van der Waals, come il grafene.

Luce di sincrotrone e nanotecnologia: il PSI offre l’infrastruttura necessaria

Sala e il suo team realizzeranno e misureranno strutture di dimensioni di pochi micrometri. Queste saranno raffreddate fino a temperature vicine allo zero assoluto (–273,15 gradi Celsius). A tal fine, il PSI acquista, grazie ai fondi dell’ERC, uno speciale criostato: un dispositivo di raffreddamento in grado di generare anche forti campi magnetici. Al suo interno viene fatta passare una corrente elettrica attraverso il campione e viene misurata la deviazione degli elettroni. In questo modo, i ricercatori cercano in modo mirato effetti non lineari, ovvero situazioni in cui piccole variazioni della tensione o del campo magnetico portano a grandi cambiamenti nella misurazione. In queste anomalie si aspettano di trovare indizi sulla geometria quantistica.

Il fatto che Sala sia giunto al PSI per il suo progetto è legato all’orientamento strategico della ricerca e alle infrastrutture uniche dell’istituto. Nel nuovo «Quantum Matter and Materials Center» del PSI, abbreviato in QMMC, si riuniscono i lavori di diversi gruppi di ricerca del PSI nel campo della materia e dei materiali quantistici. Q-GEOMSPIN si inserisce perfettamente in questo nuovo polo di ricerca quantistica.

Il PSI mette infatti a disposizione tutte le strutture di cui Sala e il suo team avranno bisogno per produrre e caratterizzare materiali, realizzare microcomponenti ed effettuare misurazioni a basse temperature. Tra le altre cose, il team utilizzerà la sorgente di luce sincrotrone svizzera SLS e la nuova camera bianca o cleanroom «PICO» del PSI, gestita dal gruppo di ricerca di nanotecnologia e perfettamente adatta alla produzione di componenti minuscoli. Anche la sorgente svizzera di neutroni a spallazione SINQ del PSI potrebbe offrire interessanti opportunità per la loro ricerca.

Q-GEOMSPIN potrebbe finalmente segnare una grande svolta per la spintronica. Ad eccezione della magnetoresistenza gigante, scoperta negli anni ’80 e che poco dopo ha moltiplicato la densità di memorizzazione dei dischi rigidi dei computer, le applicazioni commerciali sono state finora rare. Nella lista dei desideri figurano ora memorie spintroniche (MRAM) più potenti o processori per computer che funzionino sul modello del cervello. Si discute anche di idee insolite come la raccolta di energia dalle onde radio Wi-Fi inutilizzate. Giacomo Sala rimane realista: «Q-GEOMSPIN è pura ricerca di base. Ma è importante per sviluppare applicazioni a partire da essa.»