una capa de grafeno (arriba) con cobalto (abajo a la izquierda) y con níquel (abajo a la derecha). Las configuraciones de giro están representadas por flechas. Crédito: Materiales de la naturaleza
Los investigadores que trabajan en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) acoplaron grafeno, una forma monocapa de carbono, con capas delgadas de materiales magnéticos como cobalto y níquel para producir un comportamiento exótico en los electrones que podría ser útil para aplicaciones informáticas de próxima generación.
El trabajo se realizó en colaboración con científicos franceses, incluido el Premio Nobel Albert Fert, profesor emérito de la Universidad Paris-Sud y director científico de un laboratorio de investigación en Francia. El equipo realizó mediciones clave en la fundición molecular de Berkeley Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE centrada en la investigación en nanociencia.
Fert compartió el Premio Nobel de Física en 2007 por su trabajo en la comprensión de un efecto magnético en materiales multicapa que llevó a una nueva tecnología para leer datos en discos duros. por ejemplo, y dio lugar a un nuevo campo que estudia cómo explotar y controlar una propiedad fundamental conocida como "espín" en los electrones para impulsar un nuevo tipo de baja energía, Memoria de computadora de alta velocidad y tecnología lógica conocida como espintrónica.
En este último trabajo, publicado en línea el 28 de mayo en la revista Materiales de la naturaleza , El equipo de investigación mostró cómo esa propiedad de giro, análoga a la aguja de una brújula que se puede ajustar para mirar hacia el norte o el sur, se ve afectada por la interacción del grafeno con las capas magnéticas.
Los investigadores encontraron que las propiedades electrónicas y magnéticas del material crean pequeños patrones de remolinos donde las capas se encuentran. y este efecto da a los científicos la esperanza de controlar la dirección de estos remolinos y aprovechar este efecto para una forma de aplicaciones de espintrónica conocida como "espín-orbitrónica" en materiales ultrafinos. El objetivo final es almacenar y manipular datos de forma rápida y eficiente a escalas muy pequeñas, y sin la acumulación de calor que es un problema común para los dispositivos informáticos miniaturizados.
Típicamente, Los investigadores que trabajan para producir este comportamiento para los electrones en materiales han acoplado metales pesados y costosos como el platino y el tantalio con materiales magnéticos para lograr tales efectos. pero el grafeno ofrece una alternativa potencialmente revolucionaria ya que es ultradelgado, ligero, tiene una conductividad eléctrica muy alta, y también puede servir como capa protectora para materiales magnéticos propensos a la corrosión.
"Podría pensar en reemplazar los discos duros de las computadoras con todos los dispositivos de estado sólido, sin partes móviles, usando solo señales eléctricas, "dijo Andreas Schmid, un científico del personal de Molecular Foundry que participó en la investigación. "Parte del objetivo es conseguir un menor consumo de energía y un almacenamiento de datos no volátil".
La última investigación representa un primer paso hacia este objetivo, Schmid señaló, y el siguiente paso es controlar las características magnéticas a nanoescala, llamado skyrmions, que puede exhibir una propiedad conocida como quiralidad que los hace girar en sentido horario o antihorario.
En materiales estratificados más convencionales, los electrones que viajan a través de los materiales pueden actuar como un "viento de electrones" que cambia las estructuras magnéticas como un montón de hojas arrastradas por un viento fuerte, Dijo Schmid.
En estas imágenes desarrolladas con el instrumento SPLEEM en Berkeley Lab, la orientación de magnetización en muestras que contienen cobalto (Co) y rutenio (Ru) se representa con flechas blancas. La imagen de la izquierda muestra cómo se altera la orientación cuando se agrega una capa de grafeno ("Gr"). La barra de escala en la parte inferior derecha de ambas imágenes es de 1 micrón, o 1 millonésima de metro. Crédito:Berkeley Lab
Pero con el nuevo material con capas de grafeno, Sus fuertes efectos de espín de electrones pueden impulsar texturas magnéticas de quiralidad opuesta en diferentes direcciones como resultado del "efecto Hall de espín, "lo que explica cómo las corrientes eléctricas pueden afectar el espín y viceversa. Si esa quiralidad puede alinearse universalmente a través de un material y voltearse de manera controlada, los investigadores podrían usarlo para procesar datos.
"Los cálculos de otros miembros del equipo muestran que si se toman diferentes materiales magnéticos y grafeno y se construye una pila de varias capas de muchas estructuras repetidas, entonces este fenómeno y efecto posiblemente podrían amplificarse muy poderosamente, "Dijo Schmid.
Para medir el material en capas, Los científicos aplicaron microscopía electrónica de baja energía con espín polarizado (SPLEEM) utilizando un instrumento en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Molecular Foundry. Es uno de los pocos dispositivos especializados en todo el mundo que permiten a los científicos combinar diferentes imágenes para mapear esencialmente las orientaciones del perfil (o vector) de magnetización 3-D de una muestra, revelando sus "texturas de giro".
El equipo de investigación también creó las muestras utilizando el mismo instrumento SPLEEM a través de un proceso preciso conocido como epitaxia de haz molecular. y estudió por separado las muestras utilizando otras formas de técnicas de sondeo por haz de electrones.
Gong Chen, un coautor principal que participó en el estudio como investigador postdoctoral en Molecular Foundry y ahora es científico asistente del proyecto en el Departamento de Física de UC Davis, dijo que la colaboración surgió de una discusión con científicos franceses en una conferencia en 2016:ambos grupos habían estado trabajando de forma independiente en una investigación similar y se dieron cuenta de la sinergia de trabajar juntos.
Si bien los efectos que los investigadores han observado ahora en los últimos experimentos se habían discutido hace décadas en artículos de revistas anteriores, Chen señaló que el concepto de usar un material atómicamente delgado como el grafeno en lugar de elementos pesados para generar esos efectos era un concepto nuevo.
"Recientemente se ha convertido en un tema candente, ", Dijo Chen." Este efecto en películas delgadas se había ignorado durante mucho tiempo. Este tipo de apilamiento multicapa es realmente estable y robusto ".
El uso de skyrmions podría ser revolucionario para el procesamiento de datos, él dijo, debido a que la información se puede almacenar potencialmente a densidades mucho más altas de lo que es posible con las tecnologías convencionales, y con un consumo de energía mucho menor.
Los investigadores de Molecular Foundry ahora están trabajando para formar el material multicapa magnético de grafeno en un aislante o semiconductor para acercarlo a posibles aplicaciones. Dijo Schmid.
