La electrónica se basa en la manipulación de electrones y otros portadores de carga, pero además de cobrar, los electrones poseen una propiedad conocida como espín. Cuando el espín se manipula con campos magnéticos y eléctricos, el resultado es una corriente de espín polarizado que transporta más información de la que es posible con carga sola. Electrónica de transporte giratorio, o espintrónica, es un tema de investigación activa dentro de Graphene Flagship de Europa.

La espintrónica es el estudio y explotación en dispositivos de estado sólido del espín del electrón y su momento magnético asociado, junto con carga eléctrica. Algunos consideran el tema esotérico, dada la física cuántica y la química conceptualmente desafiantes que la sustentan, pero lo mismo se dijo una vez de lo que hoy es la electrónica convencional. La realidad es que la espintrónica es un campo de ciencia aplicada e ingeniería que está madurando, así como fascinante ciencia pura por derecho propio.

Espín electrónico y lógica cuántica

Antes de analizar la espintrónica en el grafeno, Vale la pena señalar que la espintrónica ya está establecida en un área crítica de la electrónica digital, a saber, almacenamiento de datos.

El giro se puede considerar como la rotación del electrón alrededor de su propio eje. Es una forma de momento angular intrínseco, y puede detectarse como un campo magnético con una de dos orientaciones:arriba y abajo. Combine estas orientaciones magnéticas con los estados actuales de encendido / apagado en lógica binaria, y tenemos un sistema de cuatro estados, con las dos orientaciones magnéticas formando un bit cuántico, o qubit.

En términos de tecnología informática, cuatro estados en lugar de dos proporcionan velocidades de transferencia de datos más altas, mayor capacidad de procesamiento y densidad de memoria, y capacidad de almacenamiento adicional. El giro del electrón proporciona un grado adicional de libertad para almacenar y manipular información.

Los cabezales de lectura de los discos duros magnéticos modernos aprovechan los efectos relacionados con el giro conocidos como magnetorresistencia gigante (GMR) y magnetorresistencia de túnel (TMR). En dispositivos GMR, dos o más capas de materiales ferromagnéticos están separadas por un espaciador. Cuando los vectores de magnetización de las capas magnéticas están alineados, la resistencia eléctrica es menor que cuando los vectores están en sentido contrario. Un dispositivo basado en tal configuración se conoce como válvula giratoria. En TMR, El transporte de electrones se logra mediante la tunelización mecánica cuántica de las partículas a través de un aislante que separa las capas ferromagnéticas.

En ambos casos, el resultado es un sensor de campo magnético que puede usarse para leer datos codificados magnéticamente en discos de disco duro. Y no solo discos duros. Dos tipos de memoria de computadora, la memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio y la memoria de la pista de carreras, también explotan el giro de los electrones.

Transporte de giro en grafeno

Grafeno una monocapa atómica de carbono grafítico, es un material prometedor para aplicaciones espintrónicas debido a su capacidad de transporte de espín a temperatura ambiente en longitudes de difusión relativamente largas de varios micrómetros. El grafeno también tiene una alta movilidad de electrones, y una concentración de portador de carga sintonizable.

El interés en el transporte de espín a temperatura ambiente en el grafeno se remonta a 2007, con experimentos realizados por el grupo de investigación del físico de la Universidad de Groningen y destacado científico de Graphene Flagship, Bart van Wees. Una discusión de esa primera demostración práctica del transporte de espín, junto con una descripción técnica detallada de la espintrónica de grafeno en la teoría y la práctica, se puede encontrar en un artículo publicado el año pasado en la revista académica Nanotecnología de la naturaleza . Uno de los autores de la revisión es el científico insignia de Ratisbona Jaroslav Fabian.

Los experimentos del grupo van Wees y los estudios posteriores mostraron una eficiencia de inyección de giro relativamente baja de alrededor del 10%, que se atribuyó a un desajuste de conductancia entre los metales ferromagnéticos y el grafeno, u otros efectos relacionados con el contacto. Se lograron eficiencias considerablemente más altas utilizando películas delgadas de óxido de magnesio como barrera del túnel.

También se emplearon otros enfoques, incluyendo contactos estenopeicos a través de una barrera aislante, contactos transparentes, en el que los electrodos ferromagnéticos están en contacto directo con la capa de grafeno, y el uso de metales no magnéticos como el cobre. En el caso de hacer un túnel a través de una barrera aislante, la magnetorresistencia más grande medida fue de 130 ohmios, correspondiente a una eficiencia de inyección de centrifugado superior al 60%.

Pasar de estudios a pequeña escala a investigaciones sobre el transporte de espín en grafeno de gran superficie es un paso clave para habilitar la espintrónica del grafeno en la escala de obleas de circuitos integrados. El enfoque aquí ha estado en el transporte de espín en capas de grafeno suspendidas, y grafeno depositado sobre sustratos de nitruro de boro hexagonal (hBN). A medida que avanza la tecnología, se observan longitudes de centrifugado y vidas útiles más largas, y un ejemplo práctico de tal heteroestructura de grafeno-hBN se discutirá en un artículo de seguimiento.

Hacer que el grafeno sea magnético

Creando orden magnético en el grafeno, que en su estado prístino es un material fuertemente diamagnético, es un gran desafío. Sin embargo, inducir momentos magnéticos en el grafeno es de vital importancia si el material se va a utilizar en espintrónica. La esperanza es tener un magnetismo sintonizable a través del dopaje o la funcionalización del grafeno. Esto podría lograrse mediante defectos en la estructura cristalina hexagonal del material, o la influencia de los átomos adsorbidos en su superficie.

El grafeno hidrogenado es un caso de referencia para el magnetismo del grafeno, con átomos de hidrógeno absorbiéndose químicamente sobre el grafeno de manera reversible. Esto crea un desequilibrio en la red cristalina, induciendo un momento magnético. Otro adatom interesante es el flúor, que se une al carbono, transformando el grafeno en un aislante de gran brecha. Al igual que con el hidrógeno, el flúor puede ser quimisorbido de forma reversible en grafeno.

"El grafeno es un material prometedor para la espintrónica, dado que sus propiedades de giro no solo se pueden personalizar, pero de hecho definido por los adatoms y otros materiales 2d que combinas con él, ", dice Fabian." Una vez que se identifican los materiales adecuados, y esto es lo que estamos investigando en el buque insignia, se abre un camino hacia aplicaciones tecnológicas específicas ".

Un átomo de carbono faltante o vacante en la estructura del grafeno, crea una densidad de electrones de espín polarizado quitando cuatro electrones de las bandas, tres de los cuales forman estados de 'vínculo colgante'. Dos de estos enlaces colgantes contribuyen a momentos magnéticos, pero falta evidencia directa del magnetismo π predicho.

Prolongación de la vida útil del centrifugado

Maximizar la vida útil del espín es fundamental cuando se trata de aplicaciones de espintrónica de grafeno. La teoría predice tiempos de vida de alrededor de un microsegundo para el grafeno prístino, mientras que el experimento muestra valores que van desde decenas de picosegundos hasta unos pocos nanosegundos. Solo con una vida útil de nanosegundos o más, el transporte de espín en el grafeno resultará útil en aplicaciones del mundo real. La discrepancia de más de dos órdenes de magnitud es una preocupación seria, y sugiere que la fuente de relajación del espín es de origen extrínseco, como impurezas, defectos u ondulaciones en el grafeno estudiado.

Se han observado experimentalmente vidas de giro de unos pocos nanosegundos para válvulas de giro de grafeno en sustratos de dióxido de silicio con contactos de efecto túnel. pero con contactos estenopeicos, la vida útil medida es solo de una fracción de nanosegundo. La relajación del giro inducida por contacto es un factor importante. Esto se puede minimizar mejorando la calidad de los contactos, y hacer que la distancia entre los electrodos ferromagnéticos sea mucho mayor que la longitud de relajación del espín del grafeno en masa.

A pesar de numerosos estudios teóricos, el origen de la relajación de espín en el grafeno es poco conocido. Se han propuesto dos mecanismos para explicar las tendencias experimentales. Ambos tienen su origen en la espintrónica de metales y semiconductores, y cada uno de ellos depende del acoplamiento espín-órbita y la dispersión de la cantidad de movimiento. El acoplamiento espín-órbita es la interacción del espín de un electrón con su movimiento, lo que conduce a cambios en los niveles de energía atómica de la partícula como resultado de la interacción entre el espín y el campo magnético generado por la órbita del electrón alrededor del núcleo atómico.

El problema es que ninguno de los mecanismos de relajación de espín propuestos funciona. Ambos predicen vidas útiles en microsegundos, sin embargo, los experimentos muestran unos pocos nanosegundos en el mejor de los casos. El único mecanismo que concuerda con el experimento para grafeno tanto de una sola capa como de bicapa se basa en la dispersión resonante por momentos magnéticos locales. Este modelo fue propuesto por el grupo de investigación de Fabian en Ratisbona.

Lo que indican estudios recientes es que la movilidad de los electrones no es el factor limitante para la vida útil del espín, y la dispersión entre partículas cargadas e impurezas no es la principal responsable de la relajación de espín en el grafeno. Dicho eso determinar la fuente principal de relajación del espín sigue siendo un desafío importante para los investigadores del grafeno. Identificarlo debería ayudar a aumentar la vida útil del espín en el grafeno hacia el límite teórico, lo que tendrá importantes implicaciones tanto para la ciencia básica como para las aplicaciones tecnológicas.

Direcciones futuras

En la conclusión de su revisión de Nature Nanotechnology, Fabian y sus colegas consideran el grafeno en dispositivos lógicos basados ​​en torsión de transferencia de espín que utilizan espines e imanes para el procesamiento de información. Los dispositivos de lógica de giro ahora forman parte de la hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores, con miras a su inclusión en futuros ordenadores.

Ejemplos de dispositivos de lógica de giro incluyen microchips regrabables, transistores, puertas lógicas, sensores magnéticos y nanopartículas semiconductoras para computación cuántica. Estas y otras oportunidades para la espintrónica basada en grafeno se analizan en la hoja de ruta científica y tecnológica del grafeno, publicada recientemente. cristales bidimensionales relacionados, y sistemas híbridos ". La hoja de ruta se desarrolló en el marco del Graphene Flagship de Europa, un consorcio académico / industrial internacional, cofinanciado por la Comisión Europea, dedicado al desarrollo de grafeno y otros materiales estratificados.

La espintrónica puede ser un campo de investigación y desarrollo relativamente joven, pero en los últimos años hemos visto un progreso significativo hacia una larga vida útil de espín y longitudes de difusión en el grafeno y materiales relacionados. Los investigadores de Graphene Flagship están en el corazón de este esfuerzo mundial.