Negli ultimi decenni la spintronica ha mostrato che lo spin può diventare una risorsa funzionale: è possibile generarlo, farlo propagare e trasformarlo in un segnale elettrico sfruttando meccanismi di interconversione spin-carica (spin Hall o Rashba-Edelstein). Quando però ci si sposta su piattaforme CMOS-compatibili, l’efficienza di queste conversioni non è sempre sufficiente e può diventare un limite per i dispositivi. Proprio per superare questo limite sta emergendo l’orbitronica, che sposta l’attenzione dal solo spin al momento angolare orbitale (OAM) dei portatori. In diversi materiali, tra cui i semiconduttori del gruppo IV alla base della tecnologia CMOS, la generazione di correnti orbitali e la conversione carica-OAM associata all’orbital Hall effect (OHE) possono risultare molto efficaci. Questo apre prospettive concrete per lo sviluppo di dispositivi a bassa potenza, integrabili su silicio, che integrino funzionalità computazionali in-memory (garantite dalla combinazione di torque orbitali indotte su materiali magnetici in una piattaforma a semiconduttore). L’obiettivo della tesi è realizzare e caratterizzare dispositivi semiconduttori in cui una corrente di carica genera una dinamica orbitale e questa viene letta elettricamente o otticamente, con lo scopo di definire figure di merito e linee guida sperimentali per architetture di in-memory computing basate su orbitronica/spin-orbitronica.

Il lavoro di tesi prevede un'attività sperimentale focalizzata su:

1. fabbricazione di eterostrutture magnetiche su piattaforme semiconduttrici CMOS-compatibili, con geometrie dedicate alla rivelazione di segnali orbitali;
2. misure di interconversione e trasporto di segnali orbitali a temperature criogeniche (fino a T = 4K) e con campo magnetico applicato;
3. analisi dati mirata all'estrazione di figure di merito rilevanti per dispositivi quali efficienza di interconversione orbita-carica, torque, lunghezze di trasporto.

Nel lavoro di tesi, condotto principalmente presso il laboratorio SemiSpin del dipartimento di Fisica, sotto la supervisione del prof. Carlo Zucchetti lo/a studente/ssa:

1. svolgerà attività in cleanroom (LNESS) per la fabbricazione dei dispositivi, attività condotta in collaborazione con la dr.ssa Monica Bollani;
2. userà strumentazione di punta per misure di magneto-trasporto per la quantificazione del readout elettrico indotto da segnali orbitali;
3. acquisirà metodo e autonomia nell’analisi critica dei risultati (validazione, confronto con letteratura, interpretazione fisica e proposta di miglioramenti).

Durante la tesi, le competenze acquisite dallo/a studente/ssa non resteranno confinate al progetto, ma costituiranno un patrimonio culturale e professionale solido, spendibile sia in ambito accademico sia in posizioni altamente qualificate nel mercato Hi-Tech. La durata indicativa è di circa 9 mesi, con impegno flessibile ma continuativo (compatibilmente con le esigenze didattiche). Gli studenti interessati possono contattare il prof. Carlo Zucchetti.