Avances en espintrónica a temperatura ambiente

La industria electrónica ha elegido, hace ya muchos años, al silicio como su materia prima (o insumo) preferido. Las investigaciones en la búsqueda de nuevos materiales para lograr una miniaturización mayor es uno de los desafíos de cualquier científico. Sin embargo, las grandes compañías fabricantes de semiconductores sólo observan con atención a aquellos que dedican sus esfuerzos a todo lo que signifique seguir trabajando con el silicio. Investigadores de la Universidad de Utah están utilizando óxido de magnesio para dar un nuevo impulso hacia transistores “espintrónicos”. Por ahora, la meta es alinear los espines magnéticos de los electrones durante un periodo prolongado de tiempo dentro de los chips de silicio y a temperatura ambiente. ¿Los resultados? Entérate en este artículo.

El estudio realizado es un paso hacia los ordenadores, teléfonos inteligentes y otros dispositivos de tecnología espintrónica que serán más rápidos y consumirán menos energía que sus equivalentes electrónicos actuales. "Los dispositivos electrónicos utilizan como corriente de funcionamiento la carga de los electrones, esto es: una carga negativa que está en movimiento", dice Ashutosh Tiwari, Profesor Asociado de Ciencias de los Materiales e Ingeniería en la Universidad de Utah. "Los dispositivos espintrónicos utilizarán tanto la carga como el espín de los electrones. Con la espintrónica lograremos dispositivos más pequeños, más veloces y más eficientes en materia energética".

"Casi todos los dispositivos electrónicos utilizan transistores basados en silicio", dice Nathan Gray, estudiante de doctorado. "El objetivo actual de la industria es construir transistores más pequeños para poder acumular mayor cantidad de ellos en un mismo dispositivo, en la búsqueda de poder procesar más datos". Ellos, en cambio, aseguran que su investigación persigue un enfoque diferente. Gray comenta que, "en lugar de desear obtener transistores más pequeños y añadir mayor cantidad en un mismo componente, intentamos que los transistores realicen más trabajo manteniendo el mismo tamaño, ya que tienen dos formas diferentes (la carga del electrón y el espín) para manipular y procesar los datos".

La mayoría de las investigaciones anteriores sobre los transistores espintrónicos utilizaron radiaciones ópticas en forma de luz polarizada (láser) para orientar los espines de los electrones en materiales distintos al silicio, como el arseniuro de galio o en semiconductores orgánicos a temperaturas sumamente frías. Sin embrago, Tiwari afirma que "los métodos ópticos no pueden lograr eso con el silicio, que es el caballo de batalla de la industria de los semiconductores, y las industrias que manufacturan estos componentes no quieren rediseñar todas sus plantas para la utilización de otro material. La espintrónica será útil y de aplicación masiva sólo si se logra implementar con el silicio”. Agregó también que la mayoría de los dispositivos ensayados en los estudios anteriores han tenido que ser enfriados a muy bajas temperaturas. De hecho, debieron ser llevados a temperaturas menores a  150°C bajo cero para alinear los electrones (o bien todos los giros hacia arriba o todos hacia abajo).  

Tiwari  aseguró además que, "Nuestra nueva forma de poner a girar los electrones dentro del silicio no requiere refrigeración". Para este experimento utilizaron un pedazo plano de silicio de alrededor de 2,5 centímetros de largo, 75 milímetros de ancho, y 50 milímetros de espesor y depositaron allí (sobre la oblea de silicio) una capa ultra-delgada de óxido de magnesio. Este elemento se utiliza como una barrera para obtener el túnel de espines alineados viajando desde un electrodo de níquel-hierro a través del semiconductor de silicio hasta otro electrodo de níquel-hierro. Una docena de transistores fueron depositados en la oblea de silicio con el propósito de ser utilizados para inyectarles electrones con espines alineados en el silicio y luego detectarlos.

La espintrónica será útil y de aplicación masiva sólo si se logra implementar con el silicio.

Transistores construídos durante el experimento

Los investigadores explicaron que cada transistor de níquel-hierro tenía tres contactos o electrodos: uno a través de la cual los electrones, con espines alineados, fueron inyectados en el silicio y para su detección, un electrodo negativo, y un electrodo positivo utilizado para medir el voltaje resultante. Durante el experimento, los investigadores enviaron corriente  a través del electrodo de entrada de los espines, allí la corriente se mantuvo constante y midieron entonces las variaciones de tensión al aplicar un campo magnético sobre el dispositivo bajo ensayo. "Al observar el cambio en el voltaje mientras aplicamos un campo magnético, podemos considerar la cantidad de espines que se han inyectado y la duración de la vida útil del espín dentro del material", dijo Tiwari. Para que un dispositivo de espintrónica sea considerado práctico y útil, los electrones con espines alineados deben ser capaces de moverse distancias adecuadas y conservar sus alineaciones por un tiempo adecuado. En el último estudio realizado, los electrones conservado su espín durante 276 picosegundos (276/1000000000000 de segundo). Basados en ese tiempo de duración, los investigadores calculan que los espines pueden desplazarse unos 328 nanómetros a través del silicio (328 mil millonésimas de metro).

"Puede resultar una distancia muy pequeña para nosotros, pero en la tecnología de los transistores, es enorme", dijo Gray. "Los transistores son tan pequeños, que eso es más que suficiente para enviar un electrón hacia donde necesitemos que vaya."  Tiwari añadió que los equipos que puedan estar dotados con procesadores espintrónicos necesitarán poca energía en comparación con los dispositivos electrónicos convencionales. Por ejemplo, si una batería puede alimentar un ordenador electrónico durante ocho horas en la actualidad,  podrá durar más de 24 horas en un equipo de tecnología espintrónica. Tiwari y Gray informarán de sus trabajos con transistores espintrónicos sobre una oblea de silicio, trabajando a temperatura ambiente, durante este mes en la revista Applied Physics Letters.

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