Il laboratorio SemiSpin è una linea di ricerca all’interno del gruppo di fisica delle superfici, focalizzata su spintronica e spin-orbitronica in eterostrutture di semiconduttori del gruppo IV e in sistemi isolante topologico/semiconduttore, con attenzione a concetti traducibili in dispositivi compatibili con la tecnologia al silicio. Studiamo come il momento angolare (lo spin e, sempre più, quello orbitale) possa essere generato, trasportato e manipolato in materiali ingegnerizzati, e come possa essere convertito in segnali elettrici robusti tramite fenomeni di spin-carica alle interfacce.

Un tema centrale è lo sviluppo di funzionalità di dispositivo a bassissimo consumo, abilitate dall’interconversione spin-carica e dalle proprietà peculiari di stati topologici e a bassa dimensionalità, con l’obiettivo di architetture scalabili e operanti a temperatura ambiente. In parallelo, studiamo generazione, rivelazione e modulazione di correnti di spin in piattaforme Si/Ge/SiGe, sfruttando l’ingegneria della struttura a bande (strain, confinamento, drogaggio) e il controllo tramite campo elettrico per accedere a regimi di trasporto di spin drift-diffusion in architetture non-locali. Accanto a queste direzioni, esploriamo processi foto-attivati nei semiconduttori e alle loro interfacce, combinando lettura elettrica con sonde ottiche per mettere in luce meccanismi foto-indotti rilevanti per dispositivi funzionali come sensori e fotodiodi nel vicino infrarosso.

Queste attività sono rese possibili da un’infrastruttura sperimentale pensata per integrare, sulla stessa piattaforma, eccitazione ottica, microscopia e misure di trasporto. Il laboratorio utilizza sorgenti laser sintonizzabili dal visibile al medio infrarosso, criostati criogenici fino a 4 K con campi magnetici fino a 1 T, e capacità di microscopia (incluse configurazioni confocali e, quando pertinente, schemi basati su Kerr) per accedere a fenomeni locali e non-locali con controllo spaziale. Questa combinazione consente di collegare crescita dei materiali e ingegneria d’interfaccia a figure di merito quantitative—come tempi di vita e lunghezze di diffusione di spin, ed efficienze di conversione spin/orbitale-carica—in nanostrutture di interesse tecnologico.

Lista di pubblicazioni selezionate:

1. F. Scali et al. "Optically induced orbital polarization in bulk germanium" arXiv preprint
2. F. Scali et al. "Frequency response of spin drift-diffusion in n-doped Ge, Si, and GaAs" Journal of Applied Physics 137, 063906 (2025)
3. E. Tavaglione et al. "Photosensitivity and gas sensing mechanisms: Validation of an operando DRIFT spectroscopy apparatus for light-activated chemoresistive gas sensors" Sensors and Actuators B: Chemical 444, 138504 (2025)
4. C. Zucchetti et al. "Non-local architecture for spin current manipulation in silicon platforms" APL Materials 11, 021102 (2023)
5. V. Falcone et al. "Graphene/Ge microcrystal photodetectors with enhanced infrared responsivity" APL Photonics 7, 046106 (2022)
6. C. Zucchetti et al. "Tuning spin-charge interconversion with quantum confinement in ultrathin bismuth films" Physical Review B 98, 184418 (2018)
7. C. Zucchetti et al. "Spin-to-charge conversion for hot photoexcited electrons in germanium" Physical Review B 97, 125203 (2018)
8. C. Zucchetti et al. "Imaging spin diffusion in germanium at room temperature" Physical Review B 96, 014403 (2017)
9. F. Bottegoni et al. "Spin-Hall voltage over a large length scale in bulk germanium" Physical Review Letters 118, 167402 (2017)
10. F. Bottegoni et al. "Spin voltage generation through optical excitation of complementary spin populations" Nature Materials 13, 790 (2014)