Un nuevo estudio muestra que los espines de electrones antiparalelos entre dos electrodos crean más capacitancia que los espines paralelos, que es opuesto a lo que normalmente se observa. Crédito:Hideo Kaiju et. Alabama.
Condensadores componentes electrónicos que almacenan y liberan rápidamente una carga, juegan un papel importante en muchos tipos de circuitos eléctricos. Jugarán un papel igualmente importante en los dispositivos espintrónicos de próxima generación, que aprovechan no solo la carga de los electrones sino también el espín, el minúsculo momento magnético de cada electrón.
Hace dos años, un equipo internacional de investigadores demostró que manipulando el espín de los electrones en una unión de túnel magnético cuántico (un sándwich a nanoescala hecho de dos electrodos metálicos con un aislante en el medio) podían inducir un gran aumento en la capacitancia de la unión.
Ahora, ese mismo equipo de investigación ha cambiado el guión del fenómeno, conocido como magnetocapacidad. En un artículo publicado en la revista Informes científicos , muestran que al usar diferentes materiales para construir una unión de túnel cuántico, fueron capaces de alterar la capacitancia manipulando espines de manera opuesta a la magnetocapacitancia "normal". Este efecto inverso, los investigadores dicen, agrega un fenómeno más potencialmente útil al conjunto de herramientas de espintrónica.
"Nos da más espacio de parámetros para diseñar dispositivos, "dijo Gang Xiao, presidente del departamento de física de Brown y uno de los coautores del artículo. "A veces, la capacitancia normal puede ser mejor; a veces, la inversa puede ser mejor, dependiendo de la aplicación. Esto nos da un poco más de flexibilidad ".
Los magnetocondensadores podrían ser especialmente útiles, Xiao dice, en la fabricación de sensores magnéticos para una gama de diferentes dispositivos espintrónicos, incluyendo discos duros de computadora y chips de memoria de acceso aleatorio de próxima generación.
La investigación fue una colaboración entre el laboratorio de Xiao en Brown, el laboratorio de Hideo Kaiju y Taro Nagahama en la Universidad de Hokkaido de Japón y el laboratorio de Osamu Kitakami en la Universidad de Tohoku.
La estructura cristalina de los electrodos de Fe3O4 y Fe analizados por RHEED (difracción de electrones de alta energía de reflexión). Los patrones indican que el Fe3O4 tiene la estructura de espinela inversa con la misma orientación cristalina del sustrato de MgO, mientras que Fe toma estructura policristalina. Crédito:Kaiju et. Alabama.
Xiao ha estado investigando las uniones de túneles magnéticos durante varios años. Las pequeñas uniones pueden funcionar de la misma manera que los condensadores en circuitos estándar. El aislante entre los dos electrodos conductores ralentiza el flujo libre de corriente a través de la unión, creando resistencias y otro fenómeno, capacidad.
Pero lo que hace que las uniones de túnel sean especialmente interesantes es que la cantidad de capacitancia se puede cambiar dinámicamente manipulando los espines de los electrones dentro de los dos electrodos metálicos. Los electrodos son magnéticos, lo que significa que los electrones que giran dentro de cada electrodo apuntan en una dirección particular. La dirección de giro relativa entre dos electrodos determina cuánta capacitancia está presente en la unión.
En su trabajo inicial sobre este fenómeno, Xiao y el equipo de investigación demostraron cuán grande podría ser el cambio en la capacitancia. Usando electrodos hechos de hierro-cobalto-boro, demostraron que al cambiar los giros de antiparalelo a paralelo, podrían aumentar la capacitancia en experimentos en un 150 por ciento. Basado en esos resultados, el equipo desarrolló una teoría que predice que, en condiciones ideales, el cambio en la capacitancia podría llegar hasta 1, 000 por ciento.
La teoría también sugirió que el uso de electrodos hechos de diferentes tipos de metales crearía un efecto de magnetocapacitancia inverso, uno en el que los espines antiparalelos crean más capacitancia que los espines paralelos. Eso es exactamente lo que mostraron en este último estudio.
"Usamos hierro para un electrodo y óxido de hierro para el otro, "Dijo Xiao." Las propiedades eléctricas de los dos son imágenes especulares entre sí, razón por la cual observamos este efecto de magnetocapacitancia inverso ".
Xiao dice que los hallazgos no solo sugieren un espacio de parámetros más grande para el uso de magnetocapacitancia en dispositivos espintrónicos, también proporcionan una verificación importante de la teoría que utilizan los científicos para explicar el fenómeno.
"Ahora vemos que las teorías encajan bien con el experimento, para que podamos confiar en el uso de nuestros modelos teóricos para maximizar estos efectos, ya sea el efecto 'normal' o el efecto inverso que hemos demostrado aquí, "Dijo Xiao.
