Una nueva teoría de los científicos de la Universidad de Rice podría impulsar el creciente campo de la espintrónica, dispositivos que dependen tanto del estado de un electrón como de la fuerza eléctrica bruta necesaria para empujarlo.

El teórico de materiales Boris Yakobson y el estudiante graduado Sunny Gupta de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice describen el mecanismo detrás de la división de Rashba, un efecto observado en los compuestos cristalinos que puede influir en los estados de espín "arriba" o "abajo" de sus electrones, análogo a "encendido" o "apagado" en los transistores comunes.

'Spin' es un nombre inapropiado, ya que la física cuántica restringe los electrones a solo dos estados. Pero eso es útil porque les da el potencial de convertirse en bits esenciales en las computadoras cuánticas de próxima generación, así como dispositivos electrónicos cotidianos más potentes que consumen mucha menos energía.

Sin embargo, encontrar los mejores materiales para leer y escribir estos bits es un desafío.

El modelo de Rice caracteriza capas simples para predecir heteropares (bicapas bidimensionales) que permiten una gran división de Rashba. Estos harían posible controlar el giro de suficientes electrones para hacer transistores de giro a temperatura ambiente, una versión mucho más avanzada de transistores comunes que dependen de la corriente eléctrica.

"El principio de funcionamiento detrás del procesamiento de la información se basa en el flujo de electrones que pueden estar activados o desactivados, "Dijo Gupta." Pero los electrones también tienen un grado de libertad de giro que se puede utilizar para procesar información y es la base detrás de la espintrónica. La capacidad de controlar el giro de los electrones mediante la optimización del efecto Rashba puede aportar nuevas funciones a los dispositivos electrónicos.

"Un teléfono móvil con memoria relacionada con el giro sería mucho más potente y consumiría mucho menos energía de lo que es ahora, " él dijo.

A Yakobson y Gupta les gustaría eliminar el ensayo y error de encontrar materiales. Su teoría, presentado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense, tiene como objetivo hacer precisamente eso.

"Los espines de electrones son pequeños momentos magnéticos que generalmente requieren un campo magnético para controlar, "Dijo Gupta." Sin embargo, manipular estos campos en las escalas pequeñas típicas de la informática es muy difícil. El efecto Rashba es el fenómeno que nos permite controlar el giro del electrón con un campo eléctrico fácil de aplicar en lugar de un campo magnético ".

El grupo de Yakobson se especializa en cálculos a nivel de átomo que predicen interacciones entre materiales. En este caso, sus modelos les ayudaron a comprender que el cálculo de la carga efectiva de Born de los componentes individuales del material proporciona un medio para predecir la división de Rashba en una bicapa.

"La carga efectiva nacida caracteriza la tasa de cambio de polarización del enlace bajo perturbaciones externas de los átomos, ", Dijo Gupta." Cuando se apilan dos capas, captura efectivamente el cambio resultante en celosías y cargas, lo que provoca la polarización general entre capas y el campo de interfaz responsable de la división de Rashba ".

Sus modelos mostraron dos heterobicapas:celosías de MoTe ₂ | Tl ₂ O o MoTe ₂ | PtS ₂ —Que son buenos candidatos para la manipulación del acoplamiento espín-órbita de Rashba, lo que ocurre en la interfaz entre dos capas unidas por la fuerza débil de van der Waals. (Para los menos inclinados a los químicos, Mo es molibdeno, Te es telurio Tl es talio, O es oxígeno, Pt es platino y S es azufre).

Gupta señaló que se sabe que el efecto Rashba ocurre en sistemas con simetría de inversión rota, donde el espín del electrón es perpendicular a su momento, que genera un campo magnético. Su fuerza se puede controlar mediante un voltaje externo.

"La diferencia es que el campo magnético debido al efecto Rashba depende del impulso del electrón, lo que significa que el campo magnético experimentado por un electrón que se mueve hacia la izquierda y el que se mueve hacia la derecha es diferente, ", dijo." Imagine un electrón con espín apuntando en la dirección zy moviéndose en la dirección x; experimentará un campo magnético Rashba dependiente del momento en la dirección y, que precesará el electrón a lo largo del eje y y cambiará su orientación de giro ".

Donde un transistor de efecto de campo tradicional (FET) se enciende o apaga dependiendo del flujo de carga a través de una barrera con voltaje de puerta, Los transistores de giro controlan la longitud de precesión de giro mediante un campo eléctrico de compuerta. Si la orientación de giro es la misma en la fuente y el drenaje del transistor, el dispositivo está encendido; si la orientación es diferente, está apagado. Debido a que un transistor de espín no requiere la barrera electrónica que se encuentra en los FET, necesita menos energía.

"Eso le da a los dispositivos espintrónicos una enorme ventaja en comparación con los dispositivos electrónicos convencionales basados ​​en carga, "Dijo Gupta." Los estados de giro se pueden configurar rápidamente, lo que hace que la transferencia de datos sea más rápida. Y el giro no es volátil. La información enviada mediante giro permanece fija incluso después de una pérdida de potencia. Es más, se necesita menos energía para cambiar el espín que para generar corriente para mantener las cargas de electrones en un dispositivo, por lo que los dispositivos espintrónicos consumen menos energía ".

"Para el químico que hay en mí, "Yakobson dijo, "la revelación aquí de que la fuerza de división de espín depende de la carga de Born es, en cierto sentido, muy similar a la ionicidad del enlace versus la electronegatividad de los átomos en la fórmula de Pauling. Este paralelo es muy intrigante y merece una mayor exploración ".