Cuando el mineralogista alemán Gustav Rose se paró en las laderas de los Montes Urales de Rusia en 1839 y recogió un trozo de un mineral previamente desconocido, nunca había oído hablar de transistores o diodos, ni tenía ningún concepto de cómo la electrónica convencional se convertiría en una parte integral de nuestra vida diaria. No podía haber anticipado que la piedra que tenía en la mano, a la que llamó "perovskita, "podría ser la clave para revolucionar la electrónica tal como la conocemos.

En 2017, El físico de la Universidad de Utah, Valy Vardeny, llamó a la perovskita un "material milagroso" para un campo emergente de la electrónica de próxima generación. llamada espintrónica, y mantiene esa afirmación. En un artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , Vardeny, junto con Jingying Wang, Dali Sun (ahora en la Universidad Estatal de Carolina del Norte) y sus colegas presentan dos dispositivos construidos con perovskita para demostrar el potencial del material en los sistemas espintrónicos. Sus propiedades, Vardeny dice:acerca el sueño de un transistor espintrónico a la realidad.

Espintrónica

Un sistema electrónico digital convencional transmite una señal binaria (piense en 1 y 0) a través de pulsos de electrones transportados a través de un cable conductor. La espintrónica puede transmitir información adicional a través de otra característica de los electrones, su dirección de giro (piense hacia arriba o hacia abajo). El giro está relacionado con el magnetismo. Entonces, la espintrónica usa el magnetismo para alinear electrones de cierto espín, o "inyectar" giro en un sistema.

Si alguna vez ha realizado el experimento de la vieja ciencia de convertir un clavo en un imán arrastrando repetidamente un imán a lo largo de su longitud, entonces ya has incursionado en la espintrónica. El imán transfiere información a la uña. El truco es transportar y manipular esa información, que requiere dispositivos y materiales con propiedades finamente ajustadas. Los investigadores están trabajando para lograr el hito de un transistor de espín, una versión espintrónica de los componentes electrónicos que se encuentran en prácticamente toda la electrónica moderna. Un dispositivo de este tipo requiere un material semiconductor en el que un campo magnético pueda manipular fácilmente la dirección del giro de los electrones, una propiedad llamada acoplamiento espín-órbita. No es fácil construir un transistor así, Wang dice. "Seguimos buscando nuevos materiales para ver si son más adecuados para este propósito".

Aquí es donde entran en juego las perovskitas.

Perovskitas

Las perovskitas son una clase de mineral con una estructura atómica particular. Su valor como material tecnológico solo se ha hecho evidente en los últimos 10 años. Debido a esa estructura atómica, Los investigadores han estado desarrollando perovskita en un material para fabricar paneles solares. Para 2018 habían logrado una eficiencia de hasta el 23 por ciento de la energía solar convertida en energía eléctrica, un gran paso por encima del 3,8 por ciento en 2009.

Mientras tanto, Vardeny y sus colegas estaban explorando las posibilidades de la espintrónica y los diversos materiales que podrían resultar eficaces para transmitir espín. Debido a los átomos de plomo pesados ​​en la perovskita, los físicos predijeron que el mineral puede poseer un fuerte acoplamiento espín-órbita. En un artículo de 2017, Vardeny y la profesora asistente de física Sarah Li demostraron que una clase de perovskitas llamadas perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas poseen un gran acoplamiento espín-órbita. También, la vida útil del espín inyectado en los materiales híbridos duró un tiempo relativamente largo. Ambos resultados sugirieron que este tipo de perovskita híbrida era prometedora como material espintrónico.

Dos dispositivos espintrónicos

El siguiente paso, que Vardeny y Wang lograron en su trabajo reciente, era incorporar perovskita híbrida en dispositivos espintrónicos. El primer dispositivo es un diodo emisor de luz espintrónico, o LED. El semiconductor en un LED tradicional contiene electrones y huecos, lugares en los átomos donde deberían estar los electrones, pero no lo son. Cuando los electrones fluyen a través del diodo, llenan los agujeros y emiten luz.

Wang dice que un LED espintrónico funciona de la misma manera, pero con un electrodo magnético, y con huecos de electrones polarizados para acomodar electrones de cierto espín. El LED se iluminó con electroluminiscencia polarizada circularmente, Wang dice:mostrando que el electrodo magnético transfirió con éxito electrones de espín polarizado al material.

"No es evidente que si pones un semiconductor y un ferromaimán juntos, obtengas una inyección de espín, "Añade Vardeny." Tienes que demostrarlo. Y lo demostraron ".

El segundo dispositivo es una válvula giratoria. Ya existen dispositivos similares y se utilizan en dispositivos como los discos duros de las computadoras. En una válvula giratoria, un campo magnético externo invierte la polaridad de los materiales magnéticos en la válvula entre un abierto, estado de baja resistencia y cerrado, Estado de alta resistencia.

La válvula giratoria de Wang y Vardeny hace más. Con perovskita híbrida como material del dispositivo, los investigadores pueden inyectar giro en el dispositivo y luego hacer que el giro precese, o tambalearse, dentro del dispositivo mediante manipulación magnética.

Eso es un gran problema dicen los investigadores. "Puede desarrollar espintrónica que no solo sea útil para registrar información y almacenar datos, sino también cálculo, ", Dice Wang." Ese fue un objetivo inicial para las personas que comenzaron el campo de la espintrónica, y eso es en lo que todavía estamos trabajando ".

Tomados en conjunto, estos experimentos muestran que la perovskita funciona como semiconductor espintrónico. El objetivo final de un transistor basado en espín aún está a varios pasos de distancia, pero este estudio sienta las bases importantes para el camino a seguir.

"Lo que hemos hecho es demostrar que lo que la gente pensaba que era posible con la perovskita realmente sucede, "Eso es un gran paso", dice Vardeny.