Un equipo internacional de científicos ha descubierto una nueva ruta hacia transistores de potencia ultrabaja utilizando un material compuesto a base de grafeno.

A medida que los transistores se aprietan en áreas cada vez más pequeñas dentro de los chips de computadora, la industria de los semiconductores lucha por contener el sobrecalentamiento en los dispositivos.

Ahora, investigadores de la Universidad de York y la Universidad de Roma Tre creen que la solución radica en materiales compuestos construidos a partir de monocapas de grafeno y el dicalcogenuro de metal de transición (TMDC). Descubrieron que estos materiales podrían usarse para lograr un control eléctrico fino sobre el espín del electrón. su diminuta aguja de brújula.

La nueva investigación, publicado hoy en la revista Cartas de revisión física , podría abrir el camino hacia la electrónica de bajo consumo de energía que tanto se necesita.

Investigador principal Dr. Aires Ferreira, del Departamento de Física de la Universidad de York, dijo:"Durante muchos años, hemos estado buscando buenos conductores que permitan un control eléctrico eficiente sobre el espín del electrón.

“Descubrimos que esto se puede lograr con poco esfuerzo cuando el grafeno bidimensional se combina con ciertos materiales en capas semiconductores. Nuestros cálculos muestran que la aplicación de pequeños voltajes a través de la capa de grafeno induce una polarización neta de los espines de conducción.

"Creemos que nuestras predicciones atraerán un interés sustancial de la comunidad espintrónica. La naturaleza atómicamente delgada de la estructura basada en grafeno es una gran ventaja para las aplicaciones. También, la presencia de un componente semiconductor abre la posibilidad de integración con redes de comunicación óptica ".

El giro del electrón es como un pequeño, imán puntual que solo puede apuntar en dos direcciones, arriba o abajo. En materiales donde se alinea una fracción importante de los espines de los electrones, se produce una respuesta magnética, que se puede utilizar para codificar información.

'Corrientes de giro', construidas a partir de giros 'arriba' y 'abajo' que fluyen en direcciones opuestas, no llevan carga neta, y por lo tanto en teoría, no producen calefacción. Por lo tanto, el control de la información de espín abriría el camino hacia chips de computadora ultraeficientes desde el punto de vista energético. El equipo de investigadores demostró que cuando una pequeña corriente pasa a través de la capa de grafeno, El espín de los electrones se polariza en el plano debido a las fuerzas de "espín-orbital" provocadas por la proximidad a la base TMDC. También demostraron que la eficiencia de la conversión de carga a centrifugado puede ser bastante alta incluso a temperatura ambiente.

Manuel Offidani, un estudiante de doctorado en el Departamento de Física de York, llevó a cabo la mayoría de los cálculos complejos en este estudio. Dijo:"La polarización inducida por la corriente del espín del electrón es un elegante fenómeno relativista que surge en la interfaz entre diferentes materiales.

"Elegimos el grafeno principalmente por sus excelentes propiedades estructurales y electrónicas. Para mejorar los efectos relativistas experimentados por los portadores de carga en el grafeno, investigamos la posibilidad de compararlo con semiconductores en capas recientemente descubiertos ".

Profesor Roberto Raimondi, quien dirige el grupo de espintrónica en la Universidad Roma Tre, dijo:“La posibilidad de orientar el espín del electrón con corrientes eléctricas está atrayendo mucha atención en la comunidad espintrónica y surge generalmente como consecuencia de condiciones específicas de simetría.

"Como tal, este fenómeno representa un ejemplo perfecto donde la investigación fundamental y aplicada van felizmente juntas. En este sentido, Nuestros cálculos demuestran que el grafeno combinado con los dicalcogenuros de metales de transición es una plataforma ideal donde los principios teóricos abstractos pueden encontrar una aplicación inmediata para mostrar el camino hacia el desarrollo experimental y tecnológico ".

La polarización de espín inducida por corriente en medios no magnéticos se demostró por primera vez en 2001 en semiconductores y, más recientemente, en heterointerfaces metálicos. Ahora, los investigadores predicen que ocurre un efecto similar en el grafeno en la monocapa de TMDC.

Sorprendentemente, encontraron que el carácter único de los estados electrónicos en el grafeno permite una eficiencia de conversión de carga a giro de hasta el 94 por ciento. Esto abre la posibilidad de que un material compuesto a base de grafeno se convierta en la base de dispositivos de lógica de giro ultracompactos y más ecológicos.

Dr. Mirco Milletarì, ex miembro del grupo de espintrónica de la Universidad Roma Tre, dijo:"Este trabajo sigue los conocimientos adquiridos al comprender las leyes fundamentales que nos permitieron concebir sistemas en los que la eficiencia de la conversión de carga a giro puede ser óptima para aplicaciones tecnológicas. En particular, la muy necesaria electrónica de bajo consumo de energía que mejorará la durabilidad y el rendimiento de los dispositivos futuros ".