Espintronica

ESPINTRONICA

La nanotecnología hoy en día ya no es sólo una ciencia del futuro, la gran cantidad de aplicaciones en la vida cotidiana nos pueden dar cuenta de ello; por ejemplo, entre las aplicaciones que ya están disponibles en el mercado y que utilizan técnicas basadas en la nanotecnología podemos mencionar las siguientes: materiales más ligeros y más duros para la industria aeronáutica y automotriz, cremas de protección solar que absorben los rayos ultravioleta, lentes muy resistentes y difíciles de rayar, nuevos sensores con aplicaciones en la medicina, en el control del medio ambiente y en la fabricación de productos químicos y farmacéuticos. Incluso podemos mencionar su aplicación en la industria de la construcción y las carreteras mediante el uso de polímeros con memoria que pueden autorestaurarse; por ejemplo, las barreras de contención que se restauran ellas mismas después de un choque. En este sentido podemos decir que uno de los temas de mayor relevancia a nivel mundial hoy en día es sin duda la nanotecnología, cuya variedad de aplicaciones abarca desde la obtención de nuevos productos para la medicina y la solución de problemas ambientales, hasta su aplicación en la producción de cosméticos.

Aún dentro del intervalo de la electrónica clásica, el rápido avance en la miniaturización de los dispositivos electrónicos ha permitido la fabricación de microchips. En este sentido, sin embargo, se empiezan a alcanzar algunos límites tecnológicos como el de la litografía y la reducción de tamaño de los transistores. Con la llegada de la nanotecnología, es decir, de la ciencia que se dedica al estudio y manipulación de la materia a nivel de los átomos y las moléculas —un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro (un punto seguido de ocho ceros y un uno que usualmente se denota por 10-9 metros)— se tiene una oportunidad sin precedentes para definir una nueva clase de dispositivos y así explorar el mundo de la mecánica cuántica.

Además de su masa y su carga, los electrones tienen una cantidad intrínseca de momento angular llamada espín, casi como si fueran bolas giratorias. Una de las características importantes de esta propiedad cuántica del electrón, es que el espín tiene asociado un campo magnético semejante al de un imán de barra.

Cabe recordar que los electrones en el átomo cuentan con cuatro números cuánticos: n, l, m y s. Los tres primeros determinan el orbital en que se encuentra el electrón (una órbita es la región en la que el electrón gira alrededor del núcleo). El número cuántico “s”, denota el espín del electrón. Los científicos representan el espín como un vector, para una esfera que gira de oeste a este, el vector apunta hacia el norte o hacia arriba. Para el espín opuesto apunta hacia abajo. En un circuito eléctrico clásico los espines están orientados al azar y no tienen efecto sobre el flujo de la corriente.

Por el contrario, los dispositivos espintrónicos crean corrientes polarizadas de espín y lo usan para controlar el flujo de corriente. Por consiguiente, resulta de gran interés enfocarse directamente hacia el diseño de aparatos cuánticos, es decir, dispositivos donde el espín del electrón es fundamental. Los dispositivos cuyas funciones se basan en el espín del electrón, forman lo que se conoce como espintrónica (electrónica basada en el espín) o magnetoelectrónica (transporte de electrones con espín polarizado). Un ejemplo de los dispositivos que funcionan con el espín del electrón puede ser el microchip espintrónico o el transistor de efecto de campo espintrónico conocido como FET de espín. La espintrónica utiliza tanto la carga como el espín del electrón, este último está estrechamente relacionado con el magnetismo y puede tomar sólo dos valores, +1/2 o -1/2 (en unidades de energía). Por consiguiente, uno de los requisitos para construir un aparato espintrónico es disponer de un sistema que pueda generar una corriente de electrones con “espín polarizado” (donde todos los electrones tienen el mismo valor del espín) y otro sistema que sea sensible a dicha polarización. Dicho dispositivo espintrónico permitiría la transmisión de un par de señales por un único canal usando electrones con espín polarizado (con una señal diferente para cada uno de los dos valores de espín), lo funciones se basan en el espín del electrón, forman lo que duplicará el ancho de banda del cable.

Uno de los aparatos espintrónicos más importantes es el conocido como válvula de espín (figura 1), un dispositivo con una estructura de multicapas especialmente construidas para detectar las transiciones magnéticas. En este tipo de sensores se observa que, cuando las capas magnéticamente activas se alinean en forma antiparalela, la resistencia es alta y disminuye rápidamente cuando el alineamiento es paralelo. El uso de este dispositivo ha sido muy común como traductor en la cabeza de discos duros de computadora. Por consiguiente, entender el mecanismo responsable del acoplamiento magnético en multicapas, podría conducirnos a encontrar la óptima configuración de la estructura para espintrónica. Lo anterior resulta ser uno de los grandes retos para la nueva tecnología basada en espintrónica.

Figura 1.- Válvula de Espín

La espintrónica puede tener un impacto radical en los diferentes dispositivos de almacenamiento de información (cintas magnéticas, celulares, discos duros de las computadoras, Ipods, etc.). El uso convencional del estado de un electrón en un semiconductor es la representación binaria, por ejemplo, en una computadora convencional cada bit tiene un valor definido de 0 o 1. En espintrónica los estados del espín del electrón, restringidos a espín hacia arriba (+1/2) o espín hacia abajo (-1/2), podrían usarse también como bits. Estos bits son más generales

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