Dado que los dispositivos electrónicos modernos se acercan a los límites de la ley de Moore y el desafío actual de la disipación de energía en el diseño de circuitos integrados, existe la necesidad de explorar tecnologías alternativas más allá de la electrónica tradicional. La espintrónica representa uno de esos enfoques que podría resolver estos problemas y ofrecer la posibilidad de crear dispositivos de menor potencia.
Una colaboración entre grupos de investigación dirigidos por el profesor Barbaros Özyilmaz y el profesor asistente Ahmet Avsar, ambos afiliados al Departamento de Física y al Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), ha logrado un avance significativo al descubrir el altamente Naturaleza del transporte de espín anisotrópico del fósforo negro bidimensional.
Los hallazgos han sido publicados en Nature Materials. .
A diferencia del movimiento convencional de carga en los dispositivos electrónicos, la espintrónica se centra en dispositivos pioneros que manipulan la propiedad intrínseca de los electrones conocida como "spin". De manera similar a las cargas de los electrones, el espín les da a los electrones una cualidad rotacional como si estuvieran girando alrededor de un eje, lo que los hace comportarse como pequeños imanes, que tienen tanto una magnitud como una dirección.
El espín del electrón puede existir en uno de dos estados, denominados espín "arriba" o espín "abajo". Esto es análogo a la rotación en sentido horario o antihorario.
Mientras que los dispositivos electrónicos tradicionales funcionan moviendo cargas alrededor del circuito, la espintrónica opera manipulando el espín del electrón. Esto es importante porque mover cargas eléctricas alrededor de circuitos eléctricos tradicionales necesariamente hace que se pierda algo de energía en forma de calor, mientras que el movimiento de espín no disipa intrínsecamente tanto calor. Esta característica podría permitir el funcionamiento del dispositivo con menor consumo de energía.
Los investigadores están particularmente interesados en utilizar materiales en el límite atómicamente delgado para investigar las propiedades de los "canales" de espín, que son como cables que pueden facilitar el transporte de espines.
Al enfatizar la importancia de la elección de materiales en los dispositivos de espintrónica, el profesor Özyilmaz dijo:"Elegir el material adecuado es primordial en espintrónica. Los materiales de canales de espín funcionales y de alto rendimiento son la columna vertebral de los dispositivos de espintrónica, lo que nos permite manipular y controlar espines para diversas aplicaciones".
El fósforo negro es uno de esos materiales emergentes que está recibiendo atención por sus favorables propiedades espintrónicas. El fósforo negro tiene una estructura cristalina arrugada única y esto significa que el comportamiento de sus espines también depende de su dirección.
El profesor Avsar dijo:"El fósforo negro presenta un transporte de espín altamente anisotrópico, que se desvía del comportamiento isotrópico normal observado en los materiales de canales de espín convencionales. Su estructura cristalina imparte características direccionales al transporte de espín, lo que ofrece nuevas posibilidades para controlar dispositivos espintrónicos".
Los investigadores fabricaron válvulas de giro ultrafinas a base de fósforo negro, encapsuladas entre capas hexagonales de nitruro de boro. La anisotropía del transporte de espín se estudió inyectando espines en el fósforo negro en un extremo del dispositivo y midiendo la señal de espín en el otro extremo alterando la dirección de la corriente de espín.
Las mediciones se realizaron aplicando un fuerte campo magnético perpendicular a la capa de fósforo negro y comparándola con aquellas cuando se aplica un campo magnético débil.
Los investigadores observaron que la aplicación de un fuerte campo magnético daba como resultado un gran aumento en la señal de espín. Este efecto surge de la estructura cristalina arrugada, ya que el fuerte campo magnético obliga a los espines a apuntar fuera del plano del material, alterando su interacción con su entorno y aumentando su vida útil en un factor de seis.
Este estudio también revela que el fósforo negro ultrafino exhibe vidas de giro de nanosegundos eléctricamente sintonizables mediante una puerta trasera. La excepcional anisotropía del espín, junto con la capacidad de modular eléctricamente el transporte del espín, permite crear dispositivos novedosos que no están controlados únicamente por el estado binario del espín (arriba o abajo), sino que también aprovechan la anisotropía del espín para lograr el control direccional.
Esto posiciona al fósforo negro como una plataforma única para una manipulación superior de los espines, un avance fundamental en el ámbito de la espintrónica.
Más información: Luke Cording et al, Transporte de espín altamente anisotrópico en fósforo negro ultrafino, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01779-8
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
