Un equipo de físicos ha descubierto un método de detección eléctrica para ondas electromagnéticas de terahercios, que son extremadamente difíciles de detectar. El descubrimiento podría ayudar a miniaturizar el equipo de detección en microchips y mejorar la sensibilidad.

Terahercios es una unidad de frecuencia de onda electromagnética:un gigahercio equivale a mil millones de hercios; 1 terahercio es igual a 1, 000 gigahercios. Cuanto mayor sea la frecuencia, cuanto más rápida sea la transmisión de información. Celulares, por ejemplo, operan a unos pocos gigahercios.

El hallazgo, informó hoy en Naturaleza , se basa en un fenómeno de resonancia magnética en materiales anti-ferromagnéticos. Tales materiales, también llamados antiferromagnetos, ofrecen ventajas únicas para aplicaciones de dispositivos a nanoescala ultrarrápidos y basados ​​en espines.

Los investigadores, dirigido por el físico Jing Shi de la Universidad de California, Orilla, generó una corriente de espín, una cantidad física importante en espintrónica, en un antiferromagnet y fueron capaces de detectarlo eléctricamente. Para lograr esta hazaña, utilizaron radiación de terahercios para bombear la resonancia magnética en la cromia para facilitar su detección.

En ferromagnetos, como un imán de barra, los espines de los electrones apuntan en la misma dirección, arriba o abajo, proporcionando así fuerza colectiva a los materiales. En antiferromagnetos, la disposición atómica es tal que los espines del electrón se cancelan entre sí, con la mitad de los giros apuntando en la dirección opuesta a la otra mitad, ya sea hacia arriba o hacia abajo.

El electrón tiene un momento angular de espín incorporado, que puede precesar la forma en que un peonzo precesa alrededor de un eje vertical. Cuando la frecuencia de precesión de los electrones coincide con la frecuencia de las ondas electromagnéticas generadas por una fuente externa que actúa sobre los electrones, La resonancia magnética se produce y se manifiesta en forma de una señal muy mejorada que es más fácil de detectar.

Para generar tal resonancia magnética, el equipo de físicos de UC Riverside y UC Santa Bárbara trabajó con 0,24 terahercios de radiación producida en las instalaciones de Terahercios del Instituto de Ciencia y Tecnología de Terahercios en el campus de Santa Bárbara. Esto coincidía estrechamente con la frecuencia de precesión de los electrones en la cromia. La resonancia magnética que siguió resultó en la generación de una corriente de espín que los investigadores convirtieron en un voltaje de CC.

"Pudimos demostrar que la resonancia antiferromagnética puede producir un voltaje eléctrico, un efecto espintrónico que nunca antes se había hecho experimentalmente, "dijo Shi, profesor del Departamento de Física y Astronomía.

Shi, quien dirige el Centro de Investigación de Fronteras de Energía financiado por el Departamento de Giros y Calor en Sistemas Electrónicos a Nanoescala, o BRILLA, en UC Riverside, Las radiaciones de subterahercios y terahercios explicadas son un desafío para detectar. La tecnología de comunicación actual utiliza microondas de gigahercios.

"Para mayor ancho de banda, sin embargo, la tendencia es moverse hacia microondas de terahercios, "Dijo Shi." La generación de microondas de terahercios no es difícil, pero su detección es. Nuestro trabajo ha proporcionado ahora una nueva vía para la detección de terahercios en un chip ".

Aunque los antiferromagnetos carecen de interés estático, son dinámicamente interesantes. La precesión del espín de los electrones en los antiferromagnetos es mucho más rápida que en los ferroimanes, resultando en frecuencias que son dos o tres órdenes de magnitud más altas que las frecuencias de los ferroimanes, lo que permite una transmisión de información más rápida.

"La dinámica de espín en los antiferromagnetos ocurre en una escala de tiempo mucho más corta que en los ferromagnetos, que ofrece atractivos beneficios para posibles aplicaciones de dispositivos ultrarrápidos, "Dijo Shi.

Los antiferromagnetos son ubicuos y más abundantes que los ferromagnetos. Muchos ferromagnetos, como el hierro y el cobalto, se vuelven antiferromagnéticos cuando se oxidan. Muchos antiferromagnetos son buenos aislantes con baja disipación de energía. El laboratorio de Shi tiene experiencia en la fabricación de aislantes ferromagnéticos y antiferromagnéticos.

El equipo de Shi desarrolló una estructura bicapa compuesta de cromia, un aislante antiferromagnético, con una capa de metal encima para que sirva como detector para detectar las señales de la cromia.

Shi explicó que los electrones de la cromia siguen siendo locales. Lo que atraviesa la interfaz es información codificada en los espines de precesión de los electrones.

"La interfaz es fundamental, ", dijo." También lo es la sensibilidad al giro ".

Los investigadores abordaron la sensibilidad al giro centrándose en el platino y el tantalio como detectores de metales. Si la señal de la cromia se origina en espín, el platino y el tantalio registran la señal con polaridad opuesta. Si la señal es causada por calentamiento, sin embargo, ambos metales registran la señal con idéntica polaridad.

"Esta es la primera generación y detección exitosa de corrientes de espín puras en materiales antiferromagnéticos, que es un tema candente en espintrónica, "Dijo Shi." La espintrónica antiferromagnética es un foco importante de SHINES ".