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La espintrónica (un acrónimo que significa electrónica de transporte de espín [1] [2] [3] ), también conocida como electrónica de espín , es el estudio del espín intrínseco del electrón y su momento magnético asociado , además de su carga electrónica fundamental, en dispositivos de estado sólido . [4] El campo de la espintrónica se refiere al acoplamiento espín-carga en sistemas metálicos; los efectos análogos en los aislantes entran en el campo de los multiferroicos .

La espintrónica se diferencia fundamentalmente de la electrónica tradicional en que, además del estado de carga, los espines de los electrones se explotan como un grado adicional de libertad, con implicaciones en la eficiencia del almacenamiento y transferencia de datos. Los sistemas espintrónicos se realizan con mayor frecuencia en semiconductores magnéticos diluidos (DMS) y aleaciones de Heusler y son de particular interés en el campo de la computación cuántica y la computación neuromórfica . [5]

Historia [ editar ]

La espintrónica surgió a partir de descubrimientos en la década de 1980 sobre los fenómenos de transporte de electrones dependientes del espín en dispositivos de estado sólido. Esto incluye la observación de la inyección de electrones de espín polarizado de un metal ferromagnético a un metal normal por Johnson y Silsbee (1985) [6] y el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante de forma independiente por Albert Fert et al. [7] y Peter Grünberg et al. (1988). [8] El origen de la espintrónica se remonta a los experimentos de tunelización de ferromagnéticos / superconductores iniciados por Meservey y Tedrow y los experimentos iniciales en uniones de túneles magnéticos por Julliere en la década de 1970. [9]El uso de semiconductores para espintrónica comenzó con la propuesta teórica de un transistor de efecto de campo de espín de Datta y Das en 1990 [10] y de la resonancia de espín dipolo eléctrico de Rashba en 1960. [11]

Teoría [ editar ]

Artículo principal: Spin (física)

El espín del electrón es un momento angular intrínseco que está separado del momento angular debido a su movimiento orbital. La magnitud de la proyección del espín del electrón a lo largo de un eje arbitrario es , lo que implica que el electrón actúa como un fermión según el teorema de las estadísticas de espín . Al igual que el momento angular orbital, el espín tiene un momento magnético asociado , cuya magnitud se expresa como

.

En un sólido, los espines de muchos electrones pueden actuar juntos para afectar las propiedades magnéticas y electrónicas de un material, por ejemplo dotándolo de un momento magnético permanente como en un ferromaimán .

En muchos materiales, los espines de electrones están igualmente presentes tanto en el estado ascendente como en el descendente, y ninguna propiedad de transporte depende del espín. Un dispositivo espintrónico requiere la generación o manipulación de una población de electrones de espín polarizado, lo que resulta en un exceso de electrones de espín hacia arriba o hacia abajo. La polarización de cualquier propiedad X dependiente del espín se puede escribir como

.

Se puede lograr una polarización neta de espín mediante la creación de una división de energía de equilibrio entre espín hacia arriba y hacia abajo. Los métodos incluyen poner un material en un gran campo magnético ( efecto Zeeman ), la energía de intercambio presente en un ferromaimán o forzar el sistema a desequilibrarse. El período de tiempo en el que se puede mantener dicha población en no equilibrio se conoce como vida útil del espín .

En un conductor de difusión , una longitud de difusión de espín se puede definir como la distancia sobre la cual se puede propagar una población de espín en no equilibrio. La vida útil de los espines de los electrones de conducción en los metales es relativamente corta (normalmente menos de 1 nanosegundo). Un área de investigación importante se dedica a extender esta vida útil a escalas de tiempo tecnológicamente relevantes.

Un gráfico que muestra un giro hacia arriba, un giro hacia abajo y la población de electrones polarizada de giro resultante. Dentro de un inyector de giro, la polarización es constante, mientras que fuera del inyector, la polarización decae exponencialmente a cero a medida que las poblaciones de giro hacia arriba y hacia abajo se equilibran.

Los mecanismos de desintegración para una población con polarización de espín se pueden clasificar en términos generales como dispersión de giro y desfasaje de espín. La dispersión spin-flip es un proceso dentro de un sólido que no conserva el giro y, por lo tanto, puede cambiar un estado de giro ascendente entrante a un estado descendente de giro saliente. El desfase de espín es el proceso en el que una población de electrones con un estado de espín común se vuelve menos polarizada con el tiempo debido a las diferentes tasas de precesión del espín de los electrones . En estructuras confinadas, se puede suprimir el desfase de espín, lo que lleva a una vida útil de espín de milisegundos en puntos cuánticos semiconductores a bajas temperaturas.

Los superconductores pueden mejorar los efectos centrales en la espintrónica, como los efectos de magnetorresistencia, la vida útil de los espines y las corrientes de espín sin disipación. [12] [13]

El método más simple de generar una corriente de espín polarizado en un metal es pasar la corriente a través de un material ferromagnético . Las aplicaciones más comunes de este efecto involucran dispositivos de magnetorresistencia gigante (GMR). Un dispositivo GMR típico consta de al menos dos capas de materiales ferromagnéticos separados por una capa espaciadora. Cuando los dos vectores de magnetización de las capas ferromagnéticas están alineados, la resistencia eléctrica será menor (por lo que fluye una corriente más alta a voltaje constante) que si las capas ferromagnéticas estuvieran anti-alineadas. Esto constituye un sensor de campo magnético.

Se han aplicado dos variantes de GMR en dispositivos: (1) corriente en el plano (CIP), donde la corriente eléctrica fluye en paralelo a las capas y (2) corriente-perpendicular al plano (CPP), donde la corriente eléctrica fluye en una dirección perpendicular a las capas.

Otros dispositivos espintrónicos basados ​​en metales:

  • Magnetorresistencia de túnel (TMR), donde el transporte de CPP se logra mediante el uso de un túnel mecánico cuántico de electrones a través de un aislante delgado que separa las capas ferromagnéticas.
  • Torque de transferencia de espín, donde se utiliza una corriente de electrones de espín polarizado para controlar la dirección de magnetización de los electrodos ferromagnéticos en el dispositivo.
  • Los dispositivos lógicos de onda giratoria transportan información en la fase. La interferencia y la dispersión de ondas de espín pueden realizar operaciones lógicas.

Dispositivos de lógica espintrónica [ editar ]

Los dispositivos de lógica de espín no volátiles para permitir el escalado se están estudiando ampliamente. [14] Se han propuesto dispositivos lógicos basados ​​en torsión y transferencia de espines que utilizan espines e imanes para el procesamiento de la información. [15] [16] Estos dispositivos son parte de la hoja de ruta exploratoria de ITRS . Las aplicaciones de memoria de entrada lógica ya se encuentran en la etapa de desarrollo. [17] [18] Se puede encontrar un artículo de revisión de 2017 en Materials Today . [4]

Aplicaciones [ editar ]

Los cabezales de lectura de los discos duros magnéticos se basan en el efecto GMR o TMR.

Motorola desarrolló una memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM) de 256 kb de primera generación  basada en una única unión de túnel magnético y un solo transistor que tiene un ciclo de lectura / escritura de menos de 50 nanosegundos. [19] Desde entonces, Everspin ha desarrollado una versión de 4  Mb . [20] Se están desarrollando dos técnicas MRAM de segunda generación: la conmutación asistida por calor (TAS) [21] y el par de transferencia de giro (STT). [22]

Otro diseño, la memoria de pista de carreras , codifica información en la dirección de magnetización entre las paredes de dominio de un cable ferromagnético.

En 2012, se hizo que las hélices de espín persistentes de electrones sincronizados persistieran durante más de un nanosegundo, un aumento de 30 veces respecto a los esfuerzos anteriores y más que la duración de un ciclo de reloj de procesador moderno. [23]

Dispositivos espintrónicos basados ​​en semiconductores [ editar ]

Los materiales semiconductores dopados muestran ferromagnetismo diluido. En los últimos años, los óxidos magnéticos diluidos (DMO), incluidos los DMO basados ​​en ZnO y los DMO basados ​​en TiO 2, han sido objeto de numerosas investigaciones experimentales y computacionales. [24] [25] Las fuentes de semiconductores ferromagnéticos sin óxido (como el arseniuro de galio dopado con manganeso (Ga, Mn) As ), [26] aumentan la resistencia de la interfaz con una barrera de túnel, [27] o mediante inyección de electrones calientes. [28]

La detección de espín en semiconductores se ha abordado con múltiples técnicas:

  • Rotación de Faraday / Kerr de fotones transmitidos / reflejados [29]
  • Análisis de polarización circular de electroluminiscencia [30]
  • Válvula de giro no local (adaptada del trabajo de Johnson y Silsbee con metales) [31]
  • Filtrado de giro balístico [32]

La última técnica se utilizó para superar la falta de interacción espín-órbita y los problemas de materiales para lograr el transporte de espín en el silicio . [33]

Debido a que los campos magnéticos externos (y los campos perdidos de los contactos magnéticos) pueden causar grandes efectos Hall y magnetorresistencia en los semiconductores (que imitan los efectos de las válvulas de espín ), la única evidencia concluyente del transporte de espín en los semiconductores es la demostración de precesión y desfase de espín en un campo magnético no colineal a la orientación de giro inyectado, llamado efecto Hanle .

Aplicaciones [ editar ]

Las aplicaciones que utilizan inyección eléctrica con polarización de espín han mostrado una reducción de la corriente umbral y una salida de luz coherente polarizada circularmente controlable. [34] Los ejemplos incluyen láseres semiconductores. Las aplicaciones futuras pueden incluir un transistor basado en espín que tenga ventajas sobre los dispositivos MOSFET , como una pendiente por debajo del umbral más pronunciada.

Transistor de túnel magnético: El transistor de túnel magnético con una sola capa base [35] tiene los siguientes terminales:

  • Emisor (FM1): inyecta electrones calientes de espín polarizado en la base.
  • Base (FM2): la dispersión dependiente de spin tiene lugar en la base. También sirve como filtro giratorio.
  • Colector (GaAs): se forma una barrera Schottky en la interfaz. Solo recolecta electrones que tienen suficiente energía para superar la barrera de Schottky y cuando los estados están disponibles en el semiconductor.

La magnetocorriente (MC) se da como:

Y la tasa de transferencia (TR) es

MTT promete una fuente de electrones con alta polarización de espín a temperatura ambiente.

Medios de almacenamiento [ editar ]

Los medios de almacenamiento antiferromagnéticos se han estudiado como una alternativa al ferromagnetismo , [36] especialmente porque con material antiferromagnético las brocas se pueden almacenar así como con material ferromagnético. En lugar de la definición habitual 0 ↔ 'magnetización hacia arriba', 1 ↔ 'magnetización hacia abajo', los estados pueden ser, p. Ej., 0 ↔ 'configuración de espín alternante verticalmente' y 1 ↔ 'configuración de espín alternante horizontalmente'. [37] ).

Las principales ventajas del material antiferromagnético son:

  • insensibilidad a las perturbaciones que dañan los datos por los campos perdidos debido a la magnetización externa neta cero; [38]
  • ningún efecto sobre las partículas cercanas, lo que implica que los elementos del dispositivo antiferromagnético no perturbarían magnéticamente sus elementos vecinos; [38]
  • tiempos de conmutación mucho más cortos (la frecuencia de resonancia antiferromagnética está en el rango de THz en comparación con la frecuencia de resonancia ferromagnética de GHz); [39]
  • Amplia gama de materiales antiferromagnéticos comúnmente disponibles, incluidos aislantes, semiconductores, semimetales, metales y superconductores. [39]

Se está investigando cómo leer y escribir información en la espintrónica antiferromagnética, ya que su magnetización neta cero dificulta esto en comparación con la espintrónica ferromagnética convencional. En el MRAM moderno, la detección y manipulación del orden ferromagnético por campos magnéticos se ha abandonado en gran medida en favor de una lectura y escritura por corriente eléctrica más eficientes y escalables. Los métodos de lectura y escritura de información por corriente en lugar de campos también se están investigando en antiferromagnetos, ya que los campos son ineficaces de todos modos. Los métodos de escritura que se están investigando actualmente en antiferromagnetos son a través del par de transferencia de giro y el par de giro en órbita del efecto Hall de giro y el efecto Rashba.. También se está explorando la lectura de información en antiferromagnetos a través de efectos de magnetorresistencia, como la magnetorresistencia de túnel . [40]

Ver también [ editar ]

  • Resonancia de espín dipolo eléctrico
  • Efecto Josephson
  • Memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM)
  • Magnonics
  • Aplicaciones potenciales del grafeno # Spintronics
  • Efecto rashba
  • Bombeo de centrifugado
  • Torque de transferencia de giro
  • Spinhenge @ Inicio
  • Spinmecatrónica
  • Spinplasmonics
  • Valleytronics
  • Lista de tecnologías emergentes
  • Multiferroicos

Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

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  • Portal de spintronics con noticias y recursos
  • RaceTrack: InformationWeek (11 de abril de 2008)
  • La investigación sobre espintrónica se dirige a los GaAs.
  • Tutorial de Spintronics
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