Los físicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un concepto para inducir y cuantificar directamente la división del espín en materiales bidimensionales. Al utilizar este concepto, han logrado experimentalmente una gran capacidad de sintonización y un alto grado de polarización de espín en el grafeno. Este logro de investigación puede potencialmente hacer avanzar el campo de la espintrónica bidimensional (2D), con aplicaciones para la electrónica de baja potencia.
La calefacción Joule plantea un desafío importante en la electrónica moderna, especialmente en dispositivos como ordenadores personales y teléfonos inteligentes. Este es un efecto que ocurre cuando el flujo de corriente eléctrica que pasa a través de un material produce energía térmica, elevando posteriormente la temperatura del material. Una posible solución implica el uso de espín, en lugar de carga, en circuitos lógicos. Estos circuitos pueden, en principio, ofrecer un bajo consumo de energía y una velocidad ultrarrápida, debido a la reducción o eliminación del calentamiento Joule. Esto ha dado lugar al campo emergente de la espintrónica.
El grafeno es un material 2D ideal para la espintrónica, debido a su larga longitud de difusión de espín y su larga vida útil incluso a temperatura ambiente. Aunque el grafeno no está inherentemente polarizado por espín, se puede inducirlo a exhibir un comportamiento de división de espín colocándolo cerca de materiales magnéticos. Sin embargo, existen dos desafíos principales. Faltan métodos directos para determinar la energía de división del espín y hay una limitación en las propiedades de espín y la capacidad de ajuste del grafeno.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Ariando del Departamento de Física de NUS, desarrolló un concepto innovador para cuantificar directamente la energía de división del espín en el grafeno magnético utilizando el desplazamiento en abanico de Landau. El desplazamiento del abanico de Landau se refiere al desplazamiento de la intersección al trazar ajustes lineales de la frecuencia de oscilación con los portadores de carga, que se debe a la división de los niveles de energía de las partículas cargadas en un campo magnético. Puede utilizarse para estudiar las propiedades fundamentales de la materia. Además, la energía inducida por la división del espín se puede ajustar en un amplio rango mediante una técnica llamada enfriamiento de campo.
La alta polarización de espín observada en el grafeno, junto con su capacidad de sintonización en la energía de división del espín, ofrece una vía prometedora para el desarrollo de la espintrónica 2D para electrónica de baja potencia.
Los hallazgos han sido publicados en la revista Advanced Materials. .
Los investigadores realizaron una serie de experimentos para validar su enfoque. Comenzaron creando una estructura de grafeno magnético apilando una monocapa de grafeno encima de un óxido aislante magnético Tm3 Fe5 O12 (TMIG). Esta estructura única les permitió utilizar el desplazamiento del ventilador de Landau para cuantificar directamente su valor de energía de división del espín de 132 meV en el grafeno magnético.
Para corroborar aún más la relación directa entre el desplazamiento del abanico de Landau y la energía de división del espín, los investigadores realizaron experimentos de enfriamiento de campo para ajustar el grado de división del espín en el grafeno. También aplicaron dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD) en la fuente de luz del sincrotrón de Singapur para revelar los orígenes de la polarización del espín.
El Dr. Junxiong Hu, autor principal del artículo de investigación, dijo:"Nuestro trabajo resuelve la controversia de larga data en la espintrónica 2D, mediante el desarrollo de un concepto que utiliza el desplazamiento en abanico de Landau para cuantificar directamente la división del espín en materiales magnéticos". /P>
Para respaldar aún más sus hallazgos experimentales, los investigadores colaboraron con un equipo teórico dirigido por el profesor Zhenhua Qiao de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China para calcular la energía de división del espín utilizando cálculos del primer principio.
Los resultados teóricos obtenidos fueron consistentes con sus datos experimentales. Además, también utilizaron el aprendizaje automático para ajustar sus datos experimentales basándose en un modelo fenomenológico, que proporciona una comprensión más profunda de la capacidad de ajuste de la energía de división del espín mediante el enfriamiento del campo.
El profesor Ariando dijo:"Nuestro trabajo desarrolla una ruta sólida y única para generar, detectar y manipular el espín de los electrones en materiales atómicamente delgados. También demuestra un uso práctico de la inteligencia artificial en la ciencia de los materiales. Con el rápido desarrollo y el importante interés en la campo de imanes 2D y magnetismo inducido por apilamiento en heteroestructuras de van der Waals atómicamente delgadas, creemos que nuestros resultados pueden extenderse a varios otros sistemas magnéticos 2D."
A partir de este estudio de prueba de concepto, el equipo de investigación planea explorar la manipulación de la corriente de espín a temperatura ambiente. Su objetivo es aplicar sus hallazgos en el desarrollo de circuitos de lógica de espín 2D y dispositivos sensoriales/de memoria magnética.
La capacidad de ajustar eficientemente la polarización de espín de la corriente constituye la base para la realización de transistores de efecto de campo de espín totalmente eléctricos, lo que marca el comienzo de una nueva era de electrónica de bajo consumo de energía y velocidad ultrarrápida.
Más información: Junxiong Hu et al, Estados polarizados por espín sintonizables en grafeno sobre un aislante de óxido ferrimagnético, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202305763
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
