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    Batería de espín recargable prometedora para la espintrónica y la computación cuántica

    Esta imagen de microscopio muestra un nuevo dispositivo utilizado para medir la "polarización de espín persistente" para una "batería de espín" recargable que representa un paso hacia la construcción de posibles dispositivos espintrónicos y computadoras cuánticas más poderosas que las tecnologías actuales. Crédito:Imagen de la Universidad Purdue / Jifa Tian

    Los investigadores han demostrado cómo crear una "batería giratoria" recargable hecha de materiales llamados aislantes topológicos, un paso hacia la construcción de nuevos dispositivos espintrónicos y computadoras cuánticas.

    A diferencia de los materiales ordinarios que son aislantes o conductores, Los aisladores topológicos son ambos al mismo tiempo:son aislantes en el interior pero conducen la electricidad en la superficie. Los materiales podrían usarse para dispositivos espintrónicos y computadoras cuánticas más poderosas que las tecnologías actuales.

    Se puede pensar que los electrones tienen dos estados de espín:arriba o abajo, y un fenómeno conocido como superposición permite que los electrones estén en ambos estados al mismo tiempo. Tal propiedad podría aprovecharse para realizar cálculos utilizando las leyes de la mecánica cuántica, lo que hace que las computadoras sean mucho más rápidas que las computadoras convencionales en ciertas tareas.

    Los electrones conductores en la superficie de los aislantes topológicos tienen una propiedad clave conocida como "bloqueo del impulso de giro, "en el que la dirección del movimiento de los electrones determina la dirección de su giro. Este giro podría usarse para codificar o transportar información utilizando las direcciones hacia abajo o hacia arriba para representar 0 o 1 para el procesamiento y la computación de información basados ​​en espines, o espintrónica.

    "Debido al bloqueo del impulso de giro, puede hacer que el espín de los electrones se alinee o 'bloquee' en una dirección si pasa una corriente a través del material aislante topológico, y este es un efecto muy interesante, "dijo Yong P. Chen, profesor de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Purdue y director del Purdue Quantum Center.

    La aplicación de una corriente eléctrica al material induce una "polarización de espín" de electrones que podría utilizarse para la espintrónica. Ordinariamente, la corriente debe permanecer encendida para mantener esta polarización. Sin embargo, en nuevos hallazgos, Los investigadores de Purdue son los primeros en inducir una polarización de espín de electrones de larga duración que dura dos días, incluso cuando la corriente está apagada. La polarización del espín del electrón es detectada por una sonda de voltaje magnético, que actúa como un voltímetro sensible al espín en una técnica conocida como "potenciometría de espín".

    Los nuevos hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece el 14 de abril en la revista Avances de la ciencia . El experimento fue dirigido por el investigador asociado postdoctoral Jifa Tian.

    "Una polarización de espín persistente controlada eléctricamente con una vida útil prolongada sin precedentes podría permitir una batería de espín recargable y una memoria de espín regrabable para aplicaciones potenciales en espintrónica y sistemas de información cuántica, "Dijo Tian.

    Esta "corriente de escritura" podría compararse con la grabación de unos y ceros en la memoria de una computadora.

    "Sin embargo, un mejor análogo es el de una batería, "Dijo Chen." La corriente de escritura es como una corriente de carga. Es lento, como cargar tu iPhone durante una o dos horas, y luego puede generar energía durante varios días. Esa es la idea similar. Cargamos esta batería de giro usando esta corriente de escritura en media hora o una hora y luego los giros permanecen polarizados durante dos días, como una batería recargable ".

    Este esquema describe una propuesta de "transferencia de espín" de electrones a núcleos atómicos en materiales llamados aislantes topológicos, un paso prometedor hacia la construcción de nuevos dispositivos espintrónicos o computadoras cuánticas. Crédito:Imagen de la Universidad Purdue / Jifa Tian

    El hallazgo fue una sorpresa.

    "Esto no estaba previsto ni era algo que buscáramos cuando comenzamos el experimento, ", dijo." Fue un descubrimiento accidental, gracias a la paciencia y perseverancia de Jifa, ejecutar y repetir las mediciones muchas veces, y cargar eficazmente la batería de giro para generar una señal de polarización de giro persistente y medible ".

    Los investigadores no están seguros de qué causa el efecto. Sin embargo, una teoría es que los electrones de espín polarizados podrían estar transfiriendo su polarización a los núcleos atómicos del material. Esta hipótesis como posible explicación al experimento fue propuesta por Supriyo Datta, Thomas Duncan, profesor distinguido de Ingeniería Eléctrica e Informática de Purdue y líder de la recientemente lanzada "iniciativa de equipo de espintrónica preeminente" de Purdue.

    "En una reunión, El profesor Datta hizo la sugerencia crítica de que la señal de giro persistente que observó Jifa parecía una batería, ", Dijo Chen." Hubo algunos experimentos análogos realizados anteriormente en una batería de rotación nuclear, aunque normalmente requerían condiciones mucho más desafiantes, como campos magnéticos altos. Nuestra observación hasta ahora es consistente con el efecto que también surge de los espines nucleares, aunque no tenemos pruebas directas ".

    El espín nuclear tiene implicaciones para el desarrollo de la memoria cuántica y la computación cuántica.

    "Y ahora tenemos una forma eléctrica de lograrlo, lo que significa que es potencialmente útil para circuitos cuánticos porque simplemente puede pasar corriente y polarizar el espín nuclear, ", Dijo Chen." Tradicionalmente, eso ha sido muy difícil de lograr. Nuestra batería giratoria basada en aisladores topológicos funciona incluso con un campo magnético nulo, y temperaturas moderadamente bajas como decenas de kelvin, lo cual es muy inusual ".

    Seokmin Hong, un ex estudiante de doctorado de Purdue que trabaja con Datta y que ahora es ingeniero de software en Intel Corp., dijo, "Mientras que una batería cargada normal genera un voltaje que se puede utilizar para impulsar una corriente de carga, una 'batería de giro' produce un 'voltaje de giro, 'o más precisamente una diferencia de potencial químico entre los electrones de espín hacia arriba y hacia abajo, que se puede utilizar para impulsar una corriente de espín de no equilibrio ".

    Los investigadores utilizaron pequeñas escamas de un material llamado seleniuro de telurio de bismuto. Pertenece a la misma clase de materiales que el telururo de bismuto, que está detrás de las tecnologías de enfriamiento de estado sólido, como los refrigeradores termoeléctricos comerciales. Sin embargo, a diferencia del material de calidad comercial que es un semiconductor a granel "dopado", el material utilizado en el experimento se produjo cuidadosamente para tener una pureza ultra alta y poco dopaje en la masa, de modo que la conducción esté dominada por los electrones de espín polarizados en la superficie. Fue sintetizado por el científico investigador Ireneusz Miotkowski en el laboratorio de cristal de semiconductores a granel administrado por Chen en el Departamento de Física y Astronomía de Purdue. Los dispositivos fueron fabricados por Tian en el Centro de Nanotecnología Birck en Discovery Park de Purdue.

    El artículo fue escrito por Tian; Hong; y Miotkowski, Datta y Chen.

    La investigación futura incluirá trabajo para investigar qué causa el efecto al sondear directamente el espín nuclear, y también para explorar cómo esta batería giratoria se puede utilizar en posibles aplicaciones prácticas.

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