La electrónica ha avanzado a través de mejoras continuas en la tecnología de microprocesadores desde la década de 1960. Sin embargo, Se prevé que este proceso de refinamiento se detenga en un futuro próximo debido a las limitaciones impuestas por las leyes de la física. Algunos de estos cuellos de botella ya han entrado en vigor. Por ejemplo, las velocidades de reloj de los procesadores no han superado unos pocos gigahercios, o varias operaciones por nanosegundo, durante los últimos 20 años, una limitación derivada de la resistencia eléctrica del silicio. Esto ha llevado a una búsqueda global cada vez más urgente de alternativas superiores a la electrónica de semiconductores.

Uno de los principales candidatos, espintrónica, se basa en la idea de transportar información a través del espín de los electrones. El uso de corrientes de giro para transmitir información es una perspectiva interesante porque implica un menor consumo de energía que las corrientes eléctricas ordinarias. Existen, sin embargo, numerosas dificultades prácticas que superar. Uno de los más graves es el problema de la inyección por giro, transferir una corriente de espín de un material a otro (por ejemplo, de un metal magnético a un semiconductor). Esto tiende a revolver los giros, destruyendo la información que llevan.

Ahora, Un equipo de científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) logró un gran avance en la velocidad y la eficiencia de la espintrónica, la Universidad Nacional de Singapur (NUS), y la Agencia para la Ciencia, Tecnología e Investigación (A * STAR) en Singapur, así como el Laboratorio Nacional de Los Alamos en los Estados Unidos. Han demostrado que un pulso ultracorto de corriente de espín, que dura menos de un picosegundo (una billonésima de segundo), se puede inyectar de un metal a un semiconductor con una eficiencia asombrosa, rompiendo el récord de inyección de centrifugado anterior en más de 10000 veces. Estos hallazgos fueron descritos en un par de artículos publicados recientemente en las principales revistas científicas. Física de la naturaleza y Materiales avanzados .

En estos experimentos, Los pulsos de corriente de espín ultracorto se producen al hacer brillar un pulso láser sobre el cobalto, un metal magnético. Esto genera un enjambre de electrones excitados con polarización de espín, lo que significa que los giros apuntan principalmente en la misma dirección. Los electrones portadores de espín luego viajan hacia afuera, difundir en otros materiales adyacentes.

"Queríamos demostrar que estos pulsos de corriente de espín ultracortos se pueden utilizar para una inyección de espín eficiente, "dice Marco Battiato, un profesor asistente de Nanyang en NTU y miembro del equipo de investigación, quien había adelantado la primera predicción teórica de este fenómeno en 2016. Señala que la difusión hacia afuera de los pulsos de corriente de espín tiene lugar durante varios cientos de femtosegundos (un femtosegundo es una milésima de picosegundo). Esto es hasta 1000 veces más rápido que los dispositivos electrónicos convencionales, haciéndolo potencialmente útil para futuros dispositivos espintrónicos de alta velocidad.

La velocidad extrema de la difusión del espín, aunque emocionante, también hace que el fenómeno sea difícil de estudiar en experimentos que utilizan tecnologías electrónicas actuales. "Tuvimos que diseñar una estrategia cuidadosa para medir las corrientes de giro que fluyen hacia la parte semiconductora del dispositivo, "dice el profesor asociado Elbert Chia, quien supervisó la parte experimental del proyecto en NTU. "Para lograr esto, utilizamos un semiconductor que contiene elementos pesados, que convierte las corrientes de espín en corrientes eléctricas ultracortas. Entonces toda la muestra se convierte en una antena electromagnética, emitiendo radiación a frecuencias de terahercios (intermedias entre las microondas y la luz infrarroja). Somos capaces de medir esta radiación, luego trabaje hacia atrás para calcular la corriente de giro original ".

Al seleccionar cuidadosamente los materiales en su dispositivo espintrónico, el equipo pudo demostrar de manera concluyente que se estaba inyectando una corriente de espín polarizado en el semiconductor. Asombrosamente, la fuerza de esta corriente de giro resultó ser superior a 10, 000 veces mayor que el récord anterior. "En dispositivos reales, No se requerirán corrientes de giro tan fuertes, para que uno pueda salirse con la suya con excitaciones considerablemente más débiles, ", señala la profesora adjunta Chia. En experimentos de seguimiento, los autores han podido determinar cuánto tiempo tardó la corriente de giro en formarse y decaer.

"Posiblemente el aspecto más llamativo es que todo esto se demostró utilizando una sencilla interfaz metal-semiconductor, sin la complicada y costosa ingeniería estructural que se ve en otros experimentos espintrónicos, "dice el profesor asistente de Nanyang, Justin Song, un físico teórico y becario de la Fundación Nacional de Investigación (NRFF) que también formó parte del proyecto. Las muestras fueron fabricadas por el grupo de investigación del profesor asociado Hyunsoo Yang en NUS.

"Estos resultados representan un paso fundamental en el desarrollo de la espintrónica ultrarrápida basada en la superdifusión de corriente de espín, ", dice el profesor asistente de Nanyang Battiato. En el futuro, el equipo prevé que este eficiente proceso de inyección de espín se convierta en una de las tecnologías clave detrás de las computadoras espintrónicas de alta velocidad.