Los investigadores fabricaron los dispositivos espintrónicos en el laboratorio de nano fabricación de la Universidad Tecnológica de Chalmers. Desde la izquierda:Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta y André Dankert. Crédito:Oscar Mattsson
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han descubierto que el grafeno de gran superficie es capaz de preservar el giro de los electrones durante un período prolongado. y comunicarlo a mayores distancias de las que se conocían anteriormente. Esto ha abierto la puerta al desarrollo de la espintrónica, con el objetivo de fabricar memorias y procesadores en computadoras más rápidos y con mayor eficiencia energética. Los hallazgos se publicarán en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .
"Creemos que estos resultados atraerán mucha atención en la comunidad investigadora y pondrán al grafeno en el mapa para aplicaciones en componentes espintrónicos". "dice Saroj Dash, quien dirige el grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers.
La espintrónica se basa en el estado cuántico de los electrones, y la tecnología ya se está utilizando en discos duros avanzados para almacenamiento de datos y memoria de accesos aleatorios magnéticos. Pero aquí la información basada en espines solo necesita moverse unos pocos nanómetros, o millonésimas de milímetro. Que es una suerte porque el espín es una propiedad de los electrones que en la mayoría de los materiales es extremadamente efímera y frágil.
Sin embargo, Hay grandes ventajas en explotar el giro como portador de información, en lugar de, o además de cargas eléctricas. La espintrónica podría hacer que los procesadores sean significativamente más rápidos y consuman menos energía que en la actualidad.
El grafeno es un candidato prometedor para extender el uso de espintrónica en la industria electrónica. La fina película de carbono no solo es un excelente conductor eléctrico, pero también teóricamente tiene la rara habilidad de mantener los electrones con el espín intacto.
"En futuros componentes basados en espines, Se espera que los electrones puedan viajar varias decenas de micrómetros con sus espines alineados. Rieles, como el aluminio o el cobre, no tiene la capacidad para manejar esto. El grafeno parece ser el único material posible en este momento, "dice Saroj Dash.
Hoy dia, El grafeno es producido comercialmente por unas pocas empresas utilizando varios métodos diferentes, todos los cuales se encuentran en una fase temprana de desarrollo.
En pocas palabras, se podría decir que el grafeno de alta calidad solo se puede obtener en piezas muy pequeñas, mientras que el grafeno más grande se produce de una manera que la calidad es demasiado baja o tiene otros inconvenientes desde la perspectiva de la industria electrónica.
Pero esa suposición general ahora está siendo seriamente cuestionada por los hallazgos presentados por el grupo de investigación de Chalmers. Han realizado sus experimentos utilizando grafeno CVD, que se produce a través de la deposición de vapor químico. El método le da al grafeno muchas arrugas, Rugosidad y otros defectos.
Pero también tiene ventajas:hay buenas perspectivas para la producción de grafeno de gran superficie a escala industrial. El grafeno CVD también se puede quitar fácilmente de la lámina de cobre en la que crece y se levanta sobre una oblea de silicio. que es el material estándar de la industria de semiconductores.
En grafeno, los electrones mantienen su magnetización, su giro (las flechas rosadas en la imagen) es mucho más prolongado que en conductores ordinarios como el cobre y el aluminio. Esta característica del grafeno puede permitir que la espintrónica se convierta en un complemento de la electrónica tradicional. que solo utiliza uno de los grados de libertad del electrón, a saber, su cargo. Crédito:M Venkata Kamalakar et al, Comunicaciones de la naturaleza
Aunque la calidad del material dista mucho de ser perfecta, El grupo de investigación ahora puede mostrar parámetros de giro que son hasta seis veces más altos que los reportados anteriormente para el grafeno CVD en un sustrato similar.
"Nuestras mediciones muestran que la señal de espín se conserva en canales de grafeno de hasta 16 micrómetros de largo. Se ha medido que la duración durante la cual los espines permanecen alineados es de más de un nanosegundo, ", dice la investigadora de Chalmers, Venkata Kamalakar, quien es la primera autora del artículo.
"Esto es prometedor porque sugiere que los parámetros de giro pueden mejorarse aún más a medida que desarrollamos el método de fabricación.
El hecho de que los investigadores se estén centrando en hasta qué punto se puede comunicar la corriente de espín no debe considerarse como un simple envío de información en un nuevo material o la sustitución de metales o semiconductores con grafeno. En cambio, el objetivo es una forma completamente nueva de realizar operaciones lógicas y almacenar información. Un concepto que, si tiene éxito, llevaría la tecnología digital un paso más allá de la actual dependencia de los semiconductores.
"El grafeno es un buen conductor y no tiene huecos de banda. Pero en la espintrónica no hay necesidad de huecos de banda para cambiar entre encendido y apagado, uno y cero. En cambio, esto está controlado por las orientaciones de giro ascendente o descendente del electrón, "Saroj Dash explica.
Un objetivo a corto plazo ahora es construir un componente lógico que, no a diferencia de un transistor, está compuesto de grafeno y materiales magnéticos.
Si la espintrónica puede eventualmente reemplazar completamente la tecnología de semiconductores es una pregunta abierta, queda mucha investigación. Pero el grafeno con sus excelentes habilidades de conducción de espín, es muy probable que aparezca en este contexto.
Imagen superior:Esquemas que ilustran el transporte de espín en grafeno CVD sobre sustrato Si / SiO2, con contactos ferromagnéticos (Co / TiO2) para inyección y detección de espín Imagen inferior:una imagen de microscopio óptico de un dispositivo espintrónico fabricado en grafeno CVD, con canales largos (hasta 16 micrómetros) sobre sustrato de Si / SiO2 con múltiples contactos ferromagnéticos (Co / TiO2) para inyección y detección de espín. Los dispositivos se fabricaron en el laboratorio de nano fabricación de la Universidad Tecnológica de Chalmers. Crédito:M Venkata Kamalakar et al, Comunicaciones de la naturaleza
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Esto es giro:
El giro es una propiedad de la mecánica cuántica de las partículas elementales, que entre otras cosas da lugar al fenómeno del magnetismo. El giro se puede dirigir hacia arriba o hacia abajo. Para los electrones en una corriente eléctrica normal, el giro se distribuye aleatoriamente, y la corriente no transmite ninguna señal de giro. Pero con la ayuda de imanes, los electrones que se alimentan a un conductor se pueden polarizar, lo que significa que todos tienen su giro hacia arriba o hacia abajo. Podrías comparar los electrones con una serie de pequeñas agujas de brújula, todos apuntando hacia el norte o el sur. El desafío es mantener este estado el tiempo suficiente y en distancias suficientemente largas.
Por qué el giro funciona en el grafeno:
El giro de los electrones puede verse fácilmente alterado por factores ambientales. Los átomos y sus estructuras cristalinas en el material conductor tienen un campo eléctrico, que se percibe como un campo magnético por los electrones que pasan rápidamente. Pero como el carbono es un átomo tan ligero con solo seis protones dispuestos en una estructura hexagonal simétrica, esta interferencia magnética será muy limitada.
El espín interno en un núcleo atómico también es una fuente potencial de interferencia. Pero el giro neto del núcleo es insignificante, como la mayoría de los átomos de carbono son del isótopo C12, con tantos neutrones como protones.
Tres formas de producir grafeno:
Los premios Nobel Geim y Novoselov fabricaron grafeno a partir de grafito utilizando cinta doméstica común. Hoy en día se utilizan métodos similares para producir grafeno de alta calidad. Pero las piezas son pequeñas. La compañía Graphensic, creado por investigadores de la Universidad Sueca de Linköping, fabrica grafeno de gran superficie que se "cultiva" a partir de un sustrato de carburo de silicio.
En la Universidad Tecnológica de Chalmers, El grafeno de gran superficie se produce mediante el método de deposición química de vapor (CVD). Para el estudio en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores han utilizado grafeno CVD comprado a la empresa Graphenea en España.
