Spintronica del grafene. È stato aperto il vaso di Pandora ?
Studio di riferimento
Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. (2011). Graphene spintronics : the role of ferromagnetic electrodes. Nano letters, 11 (1), pp. 151-155. https://doi.org/10.1021/nl1031919
La spintronica è il ramo scientifico-tecnico che si occupa dello studio della carica e dello spin degli elettroni.
Uno “spin” è la rotazione dell’elettrone su se stesso.
Prende un valore univoco (numero quantico) che è equivalente al momento angolare orbitale.
Le sue applicazioni nell’informatica quantistica sfruttano la capacità di riflettere qubit o bit quantistici (Burkard, G .; Engel, HA; Loss, D. 2000 | Leuenberger, Minnesota; Loss, D. 2001), in modo simile a come farebbe un computer, alterando i suoi valori di rotazione per mezzo di nano-campi magnetici.
Ciò è possibile grazie all’effetto di magnetoresistenza degli elettroni e dei loro spin, avendo sviluppato delle valvole di spin con elevata sensibilità ai campi magnetici (Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018 | Braun, M. ; König, J.; Martinek, J. 2006), che dimostrano la fattibilità del concetto.
Fatti analizzati
Lo studio analizza come far funzionare la spintronica del grafene usando elettrodi ferromagnetici di Cobalto-Nichel, che raggiungono efficienze di rotazione-spin nell’ordine del 60-80%, il che significa una buona capacità di interazione computazionale.
In altre parole, è possibile trasferire i principi dell’informatica binaria e quantistica, come in un processore od in un chip per PC su una scheda madre, al grafene, su scala nanometrica.
Si afferma che “questo grande filtraggio di spin (riferito all’incidenza del campo magnetico indotto) risulta dall’interazione specifica dei materiali tra grafene e FM (interfaccia ferromagnetica), che distrugge il rapporto di dispersione lineare delle bande di grafene che a sua volta modifica la relazione di dispersione lineare delle bande del grafene e porta all’apertura di lacune energetiche dipendenti dallo spin“.
Questa è la capacità di modificare a piacimento le proprietà fisiche dello spin, di alterarne i valori naturali.
“La banda proibita degli spin minoritari risiede a un’energia più alta della banda proibita degli spin maggioritari…, una caratteristica che risulta in grandi correnti dominate dagli spin minoritari“.
In altre parole, alterando la corrente di energia dello spin, è possibile modificare sia il suo momento angolare che la sua polarizzazione, rilevando un valore diverso a piacimento.
Fig. 1. Schema circuitale del grafene ed elettrodi di Cobalto-Nichel. (Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. 2011)
Gli autori introducono l’articolo affermando l’obiettivo della spintronica e della magnetoelettronica nel modo seguente : “il campo della spintronica, o magnetoelettronica, utilizza il grado di libertà di rotazione degli elettroni ed il loro momento magnetico intrinseco per influenzare o controllare le proprietà di un circuito“.
Chiaramente, i ricercatori stanno lavorando allo sviluppo di circuiti, transistor e, infine, chip o processori su nanoscala.
In questo senso, il grafene possiede tutte le proprietà necessarie per lo sviluppo di dispositivi spintronici, come riportato in seguito : “Il grafene, un reticolo 2D (bidimensionale) di atomi di C (carbonio), è un materiale gapless con bande elettroniche a scattering lineare che si legano a livello di Fermi in punti conici (Dirac) situati nei punti K nella zona di Brillouin.
Il grafene ha ricevuto molta attenzione per le sue proprietà eccezionali, compresi i vettori di massa zero effettivi con mobilità estremamente elevate, ed è pronto a svolgere un ruolo nel futuro della nanotecnologia.
Tra le altre qualità, il grafene ha una debole interazione spin-orbita a causa del basso numero atomico di C (carbonio), che si traduce in lunghe lunghezze di coerenza di spin.
Pertanto, il grafene è un materiale promettente per applicazioni in dispositivi spintronici“.
In questa affermazione è chiara la stabilità magnetica del grafene e la sua capacità di alterare magneticamente le proprietà dei suoi spin.
Fig. 2. La polarizzazione dello spin cambia da una carica energetica nel campo magnetico che si forma con gli elettrodi. (Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. 2011)
Tuttavia, gli autori osservano alcuni problemi che cercano di risolvere nello sviluppo del loro articolo : “generare ed iniettare una corrente polarizzata in spin nel grafene è di vitale importanza per lo sviluppo della spintronica basata sul grafene.
In teoria, i nanonastri sono previsti per il grafene, a differenza del grafene puro, che ha un momento magnetico locale ai bordi a zigzag, ma una limitazione significativa sorge in presenza di ingombro dei bordi e impurità che hanno dimostrato di sopprimere questo stato magnetico.
Pertanto, un’efficiente iniezione di spin nel grafene è necessaria per la realizzazione di un dispositivo spintronico prototipico“.
Chiaramente i ricercatori incontrano il problema delle impurità nel materiale.
Non bisogna dimenticare che l’articolo è stato pubblicato nel 2011.
Successivamente, sono state sviluppate tecniche e metodi che hanno ottenuto grafene della massima purezza e qualità, un argomento che è stato ampiamente discusso nella letteratura scientifica (Konwar, S.; Dhapola, P.S.; Gupta, M.; Singh, R.C.; Singh, P.K. 2019 | Bu, Y.; Liang, H.; Gao, K.; Zhang, B. Zhang, X.; Shen, X.; Zhang, J. 2020 | Manoratne, C.H.; Rosa, S.R.D; Kottegoda, I.R.M. 2017 | Rosillo-Lopez, M.; Salzmann, C.G. 2016 | Jasim, D.A.; Lozano, N.; Kostarelos, K. 2016 | Zhao, M.Q.; Zhang, Q.; Huang, J.Q.; Tian, G.L.; Chen, T.C.; Qian, W.Z.; Wei, F. 2013).
Ovviamente, negli anni precedenti a questa “plandemia” questo problema era già stato risolto, quindi il grado di precisione per l’editing spintronico crescerà molto considerevolmente.
Infatti, il libro sulla spintronica del grafene di (Jozsa, C.; van-Wees, BJ 2019) affronta “la dinamica di spin nei transistor ad effetto di campo al grafene con iniettore ferromagnetico e contatti del rivelatore ; gli effetti relativi al trasporto di spin nel grafene ; il livello di Fermi per alterare il magnetismo e la rotazione dello spin tramite gating elettrostatico per caricare il grafene con elettroni o lacune ad una densità, creando un dispositivo di tipo transistor ad effetto di campo ; il metodo per rilevare il trasporto di spin elettricamente attraverso una valvola di spin a due terminali, dove il grafene viene contattato da due elettrodi ferromagnetici“.
Per elaborare il dispositivo spintronico dell’esperimento, è stato posto un foglio di grafene 2D tra due elettrodi ferromagnetici di cobalto-nichel, “in questo modo, la corrente di spin polarizzata è principalmente dominata dall’accoppiamento tra gli strati… Inoltre, la geometria della corrente in piano, con il trasporto che avviene parallelamente al grafene, è l’architettura sperimentale e teorica più comune del dispositivo.
In tali sistemi, gli elettrodi di source e drain sono composti da grafene rivestito in FM (materiali ferromagnetici) che, a seconda della natura del legame chimico, può ibridarsi e dare luogo a una complessa struttura elettronica“.
Nel caso della ricerca, il cobalto-nichel si ibrida fortemente con il grafene.
Ma nonostante questo, “è fondamentale caratterizzare adeguatamente la struttura atomica dettagliata, al fine di ottenere i corretti stati elettronici all’interfaccia ed analizzare con precisione le proprietà di trasporto dello spin polarizzato del dispositivo. Data la natura di questo problema, è necessario utilizzare un modello atomistico ab-initio per un trattamento preciso dell’interazione chimica a contatto“.
Questa affermazione dimostra al di là di ogni dubbio la capacità di far funzionare nanotransistor su scala quasi atomica sotto forma di grafene, attraverso l’alterazione dei campi magnetici e quindi delle emissioni di onde elettromagnetiche, date le proprietà di assorbimento del grafene (Avdoshenko, SM; Ioffe, IN; Cuniberti, G .; Dunsch, L .; Popov, AA 2011 | Ray, SC; Soin, N.; Makgato, T.; Chuang, CH; Pong, WF; Roy, SS; McLaughlin, JA 2014 | Hashmi, A.; Hong, J. 2014 | Wang, J.; Xu, X.; Mu, X.; Ma, F.; Sun, M. 2017).
D’altra parte, vale la pena notare che gli elettrodi ferromagnetici possono essere realizzati anche in Fe3O4 o magnetite, un materiale che solitamente integra l’ossido di grafene, come estratto dai seguenti studi di magnetoresistenza per spintronica, vedi (Liao, ZM; Wu, HC; Wang , JJ; Cross, GL; Kumar, S .; Shvets, IV; Duesberg, GS 2011 | Kharissova, OV; García, BO; Kharisov, BI; Méndez, UO 2016 | Tsuchiya, T .; Terabe, K. ; Ochi, M.; Higuchi, T.; Osada, M.; Yamashita, Y.; Aono, M. 2016).
Altri studi
Nel lavoro di (Soriano, D.; Munoz-Rojas, F.; Fernández-Rossier, J.; Palacios, JJ 2010) si analizza “come l’idrogenazione dei nanonastri di grafene in piccole concentrazioni possa aprire spazi verso applicazioni di spintronica basate sul carbonio, indipendentemente da qualsiasi specifica terminazione del bordo o passivazione dei nanonastri “.
Ciò potrebbe suggerire che l’idrogeno può interagire con il grafene per configurare gli elettrodi necessari per creare il transistor, semplificando ulteriormente il modello del transistor.
In realtà ciò è confermato nella seguente dichiarazione : “I calcoli della teoria del funzionale della densità mostrano che un atomo di H (idrogeno) assorbito induce una densità di spin in prossimità di orbitali la cui simmetria e grado di localizzazione dipendono dalla distanza dai bordi del nanonastro“.
Aggiungendo anche in seguito : “sotto l’influenza di un campo magnetico, l’AGNR idrogenato (nanotape di grafene) si comporta come un semiconduttore paramagnetico diluito per piccole concentrazioni di H (idrogeno). A grandi concentrazioni, quando la densità di spin è zero ovunque, l’influenza del campo può portare solo a una risposta diamagnetica più piccola.
A concentrazioni intermedie, dove le nubi di magnetizzazione indotte dagli atomi di H (idrogeno) interagiscono tra loro, è possibile passare dallo stato AF allo stato F applicando un campo magnetico sufficientemente forte“.
Ciò dimostra che l’applicazione di campi magnetici sui transistor al grafene influisce sulla sua programmazione wireless e, molto probabilmente, sulle sue prestazioni funzionali/operative.
D’altra parte, gli elettrodi a idrogeno possono indurre la magnetizzazione del grafene, il che spiegherebbe le proprietà elettromagnetiche di cui l’articolo (González-Herrero, H .; Gómez-Rodríguez, JM; Mallet, P .; Moaied, M .; Palacios, JJ; Salgado, C .; Brihuega, I. 2016).
fig. 3. Stato antiferromagnetico a) e stato ferromagnetico b) alterato da campi magnetici. Da notare l’idrogenazione dei bordi del foglio di grafene che funge da elettrodi, semplificando ulteriormente il modello a transistor. (Soriano, D .; Munoz-Rojas, F .; Fernández-Rossier, J .; Palacios, JJ 2010)
Inoltre, la ricerca di (Li, L.; Qin, R.; Li, H.; Yu, L.; Liu, Q.; Luo, G.; Lu, J. 2011) analizza “la possibilità del grafene funzionalizzato come dispositivo spintronico bidimensionale ad alte prestazioni. Si è riscontrato che il grafene funzionalizzato con O (ossigeno) da un lato e H (idrogeno) dall’altro nella conformazione dell’elettrodo, costituisce un metallo ferromagnetico con un’efficienza del filtro di spin fino al 54% con polarizzazione finita…la spin valve viene controllata introducendo un campo magnetico per stabilizzarne lo stato ferromagnetico.
La magnetoresistenza a temperatura ambiente risultante è fino al 2200%, che è un ordine di grandezza superiore ai valori sperimentali disponibili“.
Alla fine concludono che “rispetto ai dispositivi spintronici a nanonastro di grafene ultrasottili, i grafeni funzionalizzati consentono una corrente molto più grande con meno requisiti sulla tecnica di produzione e sono più competitivi“.
Fig. 4. Schema di un transistor al grafene con atomi di ossigeno e idrogeno. (Li, L.; Qin, R.; Li, H.; Yu, L.; Liu, Q.; Luo, G.; Lu, J. 2011)
Un’altra proprietà studiata è il cambio di rotazione degli spin nei punti quantici.
Secondo (Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018) è possibile commutare la rotazione degli spin per modificarne le proprietà ed i valori al fine di codificare i valori computazionali necessari.
Questo si riflette nella loro seguente dichiarazione : “Dimostriamo che il trasporto quantico attraverso un punto quantico spin-degenerato fornisce un controllo unico sulle coppie di spin che agiscono sui nanomagneti attaccati, permettendo l’effettiva commutazione dei nanomagneti da una configurazione parallela a una antiparallela e viceversa“.
Ciò dimostra che è possibile sviluppare la nanoelettronica o la spintronica basata su tutti i tipi di semiconduttori, compreso il grafene e i suoi derivati.
Fig. 5. Diagramma di commutazione che mostra l’angolo di apertura dello spin in base al carico di polarizzazione della tensione applicata. (Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018)
Lo studio di (Akram, KB; ul-Hassan, SM; Ahmed, A .; Hamayun, MA; Rafique, M .; Manzoor, S. 2020) si distingue per la speciale proprietà dell’ossido di grafene ridotto rGO/Fe3O4 di avere un magnetoconduttività “gigante” in AC (corrente alternata), indispensabile per l’assemblaggio di transistor a semiconduttore.
Nello specifico, afferma che “le proprietà strutturali, di trasporto in corrente alternata e magnetotrasporto di composti di ossido di grafene ridotto (rGO) e nanoparticelle di magnetite misurate nell’intervallo di frequenza da 10 Hz a 2 MHz ed in campi magnetici statici fino a 500 mT“.
In conclusione affermano che “la magnetoconduttività AC a temperatura ambiente è del 57% (af = 254 kHz) e del 40% (af = 10 Hz) in un campo magnetico B = 500 mT per il campione con il 40% in peso di nanoparticelle di magnetite.
Questo valore è molto più alto di quello ottenuto nel magnetotrasporto DC (Direct Current), dove le magnetoconduttività a temperatura ambiente in composti simili sono tipicamente del 10% o meno in campi magnetici comparabili .
Tutto questo ha un impatto sull’efficienza dei transistor 2D in grafene monostrato, i cui elettroni possono operare con una maggiore resistività“.
Riflessioni finali
La spintronica del grafene mostra che si possono creare circuiti e transistor su nanoscala che potrebbero essere perfettamente inoculati attraverso un “vaccino”.
E’ anche dimostrato che sono necessari elettrodi magnetici per ottenere transistor ed altri componenti spintronici.
Questo spiegherebbe, ancora una volta, il fenomeno magnetico delle persone inoculate con i “vaccini”.
Insieme a questo, viene anche dimostrato che gli elettrodi ferromagnetici possono essere realizzati con magnetite Fe3O4, che coincide con le tipiche combinazioni di ossido di grafene e le sue molteplici applicazioni, ad esempio l’iniezione di aerosol nell’atmosfera, aerogel, idrogel, nanoparticelle terapeutiche contro il cancro, terapie geniche, somministrazione di farmaci, biocidi, fertilizzanti, dove sono esattamente spiegati tutti gli usi e le relative proprietà.
Con tutte le informazioni fin qui analizzate, si ipotizza che i materiali necessari per l’assemblaggio dei dispositivi spintronici (cioè ossido di grafene e Fe3o4, od altri materiali non ancora identificati), si trovino nei “vaccini” e sono indirettamente introdotti nel corpo umano anche attraverso cibo, acqua, aria e sieri fisiologici (e probabilmente in molti altri modi).
Resta però da chiarire se esistano nanotecnologie o nanobot in grado di assemblare detto materiale, al fine di raggiungere la sua capacità operativa.
Ciò però non esclude la possibilità che i materiali possano autoassemblarsi attraverso campi elettromagnetici, mediante “Teslaforesi” (Bornhoeft, LR; Castillo, AC; Smalley, PR; Kittrell, C.; James, DK; Brinson, BE; Cherukuri, P. 2016), un movimento magnetico finalizzato all’autoassemblaggio di nanotubi di carbonio, per il quale richiede una bobina di Tesla che genera un campo elettromagnetico od una differenza di potenziale tra gli elettrodi, come mostrato ad esempio in questo video.
Ovviamente la bobina di Tesla potrebbe essere sostituita dalle onde elettromagnetiche emesse dalle antenne 5G.
Se fosse dimostrata la presenza di magnetite Fe3O4, o di qualsiasi altro materiale ferromagnetico, o di qualsiasi altro meccanismo di elettrodi nanometrici, questa teoria potrebbe avere l’apparenza di essere verificata, poiché non sarebbe richiesto un ordine specifico dei nanomateriali, in quanto si troverebbero nella soluzione acquosa del “vaccino”.
Se si presume che la fornitura di dispositivi spintronici sia molto probabile, vale la pena riflettere sulle capacità e sulle possibilità di questa tecnologia.
Sembra logico che i transistor e i circuiti abbiano la funzione di identificare il dispositivo, questo sarebbe l’indirizzo MAC (Media Access Control), che è un identificatore univoco a 48 bit per la sua connessione alla rete.
Ovviamente se c’è un dispositivo di rete, dovrebbe esserci un meccanismo che gli permetta di connettersi od almeno collegarsi.
Ciò richiede un dispositivo radio, responsabile della modulazione e della trasmissione del segnale, e dall’altra parte un controller, sotto forma di una CPU di base con processore di segnale digitale e controller di collegamento.
Molti dispositivi elettronici solitamente collegati tramite bluetooth soddisfano questi requisiti, e per questo motivo è possibile ipotizzare che i transistor al grafene possano essere collegati alla rete, allo stesso modo dell’IOT (Internet of Things).
Infatti secondo (Yang, X., Liu, G., Balandin, AA e Mohanram, K. 2010) sono riusciti a creare “un amplificatore al grafene a transistor singolo che utilizza il concetto chiave della polarizzazione nei circuiti analogici…Rispetto agli amplificatori tradizionali basati su dispositivi unipolari, l’amplificatore a transistor singolo proposto offre una maggiore controllabilità sul campo, poiché può passare da una modalità all’altra durante il funzionamento .
Per quanto ne sappiamo, questo è il primo lavoro a dimostrare che un singolo amplificatore a transistor basato su un dispositivo a tre terminali può essere configurato sul campo per funzionare sia come amplificatore di sorgente comune che come amplificatore di pozzo comune“.
E a tutto questo, aggiungono che i transistor al grafene possono utilizzare tecniche di modulazione e codifica per stabilire una comunicazione o un collegamento con altri dispositivi, infatti “sia la PSK (modulazione a sfasamento) che la FSK (codifica a sfasamento di frequenza) sono importanti tecniche di modulazione digitale.
La PSK è ampiamente utilizzata in applicazioni wireless come Bluetooth, Radio Frequency Identification (RFID) e Zig-Bee, mentre la FSK è spesso utilizzato in sistemi radio e audio“.
Un altro dettaglio rilevante di questo lavoro (Yang, X., Liu, G., Balandin, AA e Mohanram, K. 2010) è la frequenza del segnale operativo dei transistor sviluppati : 4, 8 e 10 KHz.
Questi dati potrebbe essere utilizzato in ulteriori ricerche sui transistor spintronici al grafene.
Altri lavori supportano anche lo sviluppo di nano-transceiver wireless al grafene (Iannazzo-Soteras, ME 2017) o transistor di biorilevamento a base di grafene per uso biomedico, collegati tramite Bluetooth (Arora, K. 2019).
Bibliografia
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