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Espintrónica

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Espintrónica
Por Martín Orlando Gil Cardona
De la serie de artículos monográficos de divulgación científica,
Proyecto: Un rincón para el Cosmos

Esta rama de la física fue anticipada por el padre de la Teoría de caminos el físico Richard Feynman Premio Nobel de Física, quien anticipó su llegada en una histórica conferencia de 1959, donde también introduciría por primera vez el concepto de nanotecnología:
“Computadores con alambres no más anchos que 100 átomos, un microscopio que puede ver átomos individuales, máquinas que pueden manipular átomos uno a uno y circuitos que operan con niveles de energía cuantizada o las interacciones de los espines cuantizados…”
La espintrónica es una nueva tecnología que promete revolucionar el desarrollo de dispositivos microelectrónicos, está basada en otra propiedad del electrón, conocida como espín. En física se describe como el “momento angular intrínseco de la partícula”, y serviría para caracterizarla, igual que lo hacen la masa o la carga. Podríamos pensar que los electrones giran en un sentido u otro, y en función de ello, contarán con un espín arriba (up) o abajo (down). Su significado, (neologismo a partir de "espín" y "electrónica" y conocido también como magnetoelectrónica) es una tecnología emergente que utiliza tanto la carga del electrón como su espín, que se manifiesta como un estado de energía magnética débil que puede tomar solo dos valores, +?/2 o -?/2 (donde ? es la constante de Planck dividida por 2? o constante reducida de Planck).

El nacimiento de la espintrónica sucedió en 1988 en Francia. En el pequeño pueblo de Orsay, el grupo de investigación del profesor Albert Fert describió por primera vez la “magnetorresistencia gigante en multicapas metálicas“, que ocurría debido al desequilibrio entre el número de electrones espín arriba y el de espín abajo .

Actualmente el desarrollo de la tecnología nos ha conducido a elaborar dispositivos
Nanométricos capaces de almacenar y procesar información. Estos dispositivos serían difíciles de imaginar en la electrónica, basada en la manipulación de la carga eléctrica del electrón. Sin embargo, gracias a los avances en la física teórica y experimental en el campo de la materia condensada, estos dispositivos ya son una realidad, basada en una propiedad que sólo puede ser concebida a nivel cuántico. En el artículo que se mencionará en la siguiente pagina 3, se revisa una nueva perspectiva, describiendo la Magnetorresistencia Gigante y de Efecto Túnel, la transferencia de momento de espín y sus respectivas aplicaciones como son las memorias MRAM, nano-osciladores y válvulas laterales de espín.

En 1994, este descubrimiento comenzó a aplicarse en la industria de la automoción, y sólo tres años más tarde, la empresa IBM se encargaría de introducir la espintrónica en el desarrollo de cabezas lectoras de discos duros de ordenador. Gracias a su uso, se lograría aumentar considerablemente la cantidad de información almacenada magnéticamente.
Teniendo en cuenta la Ley de Moore , uno de los pilares de la electrónica, es necesario contar con una alternativa sólida a la microelectrónica convencional y es aquí donde aparece la espintrónica predicha o ideada por Feynman. En los sistemas electrónicos tradicionales, se controla únicamente el flujo de carga eléctrica, en los nuevos dispositivos, sin embargo, también podríamos apoyarnos en el flujo de espines, aumentando un grado de libertad en los sistemas desarrollados. De este modo, se espera que la espintrónica logre desarrollar dispositivos que puedan funcionar más rápido y aprovechando menos calor, fomentando en la industria que se implemente aún más la miniaturización de los sistemas creados. También podría ayudar en el desarrollo de las unidades de procesamiento de los computadores cuánticos que están apenas en desarrollo y que se basan en el entrelazamiento cuántico o incluso servir en la mejora de las comunicaciones cifradas.
La llegada de materiales similares al grafeno (que puede revolucionar la espintrónica) o el desarrollo de innovadores aislantes que se confirmen en el futuro, podrían dar el impulso definitivo a esta tecnología. Décadas después del desarrollo de los primeros dispositivos electrónicos, parece que la espintrónica ha venido para quedarse en nuestro mundo.
Uno de los mejores artículos sobre este tema, con características teóricas, es titulado: ESPINTRÓNICA, LA ELECTRONICA DEL ESPÍN, SPINTRONICS, SPIN ELECTRONICS de los autores: ElmerMonteblanco1, Christian Ortiz Pauyac2, Williams Savero3, J. Carlos Rojas Sanchez4, A. Schuhl5, se puede encontrar en PDF: https://www.researchgate.net/publication/315065342_ESPINTRONICA_LA_ELECTRONICA_DEL_ESPIN_SPINTRONICS_SPIN_ELECTRONICS

El principal requerimiento para construir un dispositivo espintrónico es disponer de un sistema que pueda generar una corriente de electrones con la característica de "espín polarizados" (es decir, que tengan el mismo valor para su espín) y de otro sistema que sea sensible a esa polarización. Además, se debe contar con una unidad intermedia que realice algún tipo de procesamiento en la corriente, de acuerdo con los estados de los espines.
Un dispositivo espintrónico simple debe permitir la transmisión de un par de señales por un único canal usando simplemente electrones con "espín polarizados" y produciendo una señal diferente para los dos valores posibles, así se logra duplicar el ancho de banda del cable.
Un mecanismo más simple de que una corriente sea "espín polarizada" consiste en hacerla pasar a través de un material ferromagnético, como por ejemplo un cristal único, de forma tal, que filtre los electrones de un modo uniforme. Al colocar el filtro frente a un transistor, éste filtro se convertirá en un detector con alta sensibilidad a los espines.
Por otro lado, si los dos campos magnéticos están alineados, entonces la corriente podrá pasar, mientras que si se oponen aumentará la resistencia del sistema, el efecto se conoce con el nombre de magnetorresistencia gigante.
Probablemente el dispositivo espintrónico más exitoso hasta el momento haya sido la válvula espín, un dispositivo con una estructura de capas de materiales magnéticos que muestra enorme sensibilidad a los campos magnéticos. Cuando uno de estos campos está presente, la válvula permite el paso de los electrones, pero en caso contrario sólo deja pasar a los electrones con un espín determinado. Desde 2002 ha sido común su uso como transductor en cabezas de discos duros.
La espintrónica puede tener un impacto radical en los dispositivos de almacenamiento masivo; científicos de IBM anunciaron en 2002 la compresión en un área diminuta de cantidades enormes de datos, alcanzando una densidad de aproximadamente 155.000 millones de bits por cm².
El uso convencional del estado de un electrón en un semiconductor es la representación binaria, pero los "bits cuánticos" de la espintrónica (qubits) explotan a los estados del espín como superposiciones de 0 y 1 que pueden representar simultáneamente cada número entre 0 y 255. Esto puede dar lugar a una nueva generación de ordenadores relacionada con el fenómeno del entrelazamiento cuántico ya conocida hoy como la Computación cuántica .

El efecto de Spín Hall, el efecto de Spín Seebeck y el efecto de Spín Peltier, permiten a los Físicos crear flujos de electrones de Spin, también conocidos como Flujos de Spín concurrentes. Dicha investigación podría conducir a aparatos más pequeños y más eficientes que utilizan el Spín de electrones para almacenar y transmitir información en lugar de la carga eléctrica, una novedosa técnica conocida como ‘espintrónica’. Físicos de la Universidad Estatal de Ohio, logran producir el efecto cuántico de Spin Nermst calentando electrones, será útil para la espintrónica. La última pieza que falta en el rompecabezas era el Spín Nernst y por eso nos dispusimos a buscar esto”, dice el coautor del estudio, Sebastián Goennenwein, un físico de la Universidad Técnica de Dresde en Alemania.
El 26 de septiembre del 2017 se publicó (SN). Cuando los objetos se calientan, los electrones giratorios van por caminos separados. Al calentar un extremo de una tira de platino que funciona como lanzadera de electrones de acuerdo a su Spín -una propiedad cuántica que hace que se comporten como si estuvieran dando vueltas- se produce el efecto de Spín Nernst, un fenómeno recién detectado que fue el único en un cuadro de efectos derivados relacionados que previamente no habían sido vistos, de acuerdo a un estudio publicado en Nature Materials.
El efecto y sus hermanos – con nombres como el efecto de Spin Hall, el efecto de Spin Seebeck y el efecto de Spin Peltier, permiten a los Físicos crear flujos de electrones de Spin, o flujos de Espín concurrentes. Dicha investigación podría conducir a aparatos más pequeños y más eficientes que utilizan el Spin de electrones para almacenar y transmitir información en lugar de la carga eléctrica, una técnica conocida como ‘espintrónica’; por otro lado, se han podido descubrir una clase de "materiales especiales" -perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas-, que podrían ser la base de futuros dispositivos espintrónicos.
En el efecto derivado de Nernst, llamado así por el premio Nobel químico Walther Nernst, al calentar un extremo de un metal, ello hace que los electrones fluyan hacia el otro extremo, rebotando en el interior del material a medida que avanzan. Dentro de ciertos materiales, el rebote tiene una dirección preferida: Los electrones con espines apuntando hacia arriba (como si estuvieran girando en sentido antihorario) hasta llegar a la derecha y electrones con espines apuntando hacia abajo (como si estuvieran girando en sentido horario) hasta llegar a la izquierda, crean una corriente general de centrifugado. Aunque el efecto había sido predicho, nadie lo había observado.
El propósito era encontrar evidencia del efecto requerido desenredado de otros efectos relacionados con el calor y la carga que se producen en los materiales. Para ello, los investigadores acoplaron el platino a una capa de un aislante magnético, un material conocido como granate de hierro de Itrio; luego, alteraron la dirección de la magnetización del aislante, que cambia si la corriente de espín podría fluir a través del aislante; ese cambio alteró ligeramente la tensión medida a lo largo de la tira de platino. Los científicos midieron entonces el cambio de tensión con la dirección de la magnetización para aislar las huellas digitales del efecto derivado de Nernst.
“La medición fue un bastante difícil “, dice el físico Joseph Heremans de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, que no participó en la investigación. El efecto podría ayudar a los científicos a entender mejor los materiales que pueden ser útiles para la construcción de dispositivos de espintrónica y agrega: “Es realmente un nuevo conjunto de observaciones en la física de lo que está pasando dentro de estos dispositivos.”
Un pariente del efecto derivado de Nernst se llama el efecto de giro de Spin Hall que está muy estudiado por su potencial uso en dispositivos de espintrónica. En el efecto de giro Hall, un campo eléctrico empuja a los electrones a través de un material y las partículas se desvían a la izquierda o a la derecha dependiendo de su Spin. El efecto derivado de Nernst se basa en la misma física básica, pero utiliza el calor en lugar de un campo eléctrico para obtener las partículas en movimiento.
“Es un hermoso experimento. Se muestra muy bien el efecto de Spín de Nernst“, dice el físico Greg Fuchs, de la Universidad de Cornell. “Está muy unificada nuestra comprensión de la interrelación entre la carga, transporte de calor y el retorno.”
Un trabajo un poco mas didáctico lo publica la física Laura Steren en su artículo: “Electrónica del espin”, el cual describe detalles sobre la Magnetoresistencia Gigante (MRG), ésta publicación existe en PDF la pueden ubicar en español en la página: http://fisica.cab.cnea.gov.ar/resonancias/images/stories/steren.pdf

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