Nova electrònica sense transport de càrrega
2015/06/01 Villamor Lomas, Estitxu - Fisikan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria
Qui diria que quan en 1946 es va inventar el primer ordenador, avui qualsevol de nosaltres portaria un ordinador en la butxaca? Aquest ordinador ENIAC, creat en la Universitat de Pennsylvania, tenia una superfície de 167 m², pesava 27 tones, quan s'utilitzava la temperatura de l'habitació s'elevava a 50 °C i tenia un consum de 160 kW, entre altres coses, per a fer 5.000 sumes i 300 multiplicacions. En l'actualitat, la invenció del transistor i la miniaturització dels circuits electrònics fan que els nostres telèfons mòbils siguin ordenadors molt més eficients, més ràpids i puguin realitzar més operacions lògiques. En 1965, Gordon E era un dels fundadors de l'empresa Intel. Moore, basant-se en la tendència anterior, va formular la següent llei empírica: el nombre de transistors en un circuit integrat es duplica cada dos anys. A causa de la previsió de la Llei de Moore, Intel i la resta d'empreses de microelectrònica han tractat de mantenir aquesta tendència, la qual cosa permet fabricar dispositius electrònics cada vegada més ràpids i petits.
Però aquesta contínua reducció de circuits també té les seves limitacions. D'una banda, perquè les pèrdues energètiques són enormes (es transforma en calor): Degut a aquest efecte Joule, la dissipació de la càrrega que passa per volums tan petits sol ser molt alta, ja que la densitat de potència dels nostres ordinadors sol ser major que la d'un reactor nuclear; d'altra banda, perquè apareixen fluctuacions quàntiques: a mesura que ens acostem a la grandària dels àtoms, els electrons, a més de la seva naturalesa de partícules, tenen també caràcter d'ona i poden escapar d'un element a un altre del circuit. Per això, si volem augmentar les velocitats de processament de dades dels dispositius electrònics i reduir el consum energètic, necessitem un canvi.
En aquesta tesi per a aquest canvi hem proposat l'opció de spintrónica, que és un nou camp de l'electrònica que aprofita la càrrega de l'electró i el seu spin. L'spin és una propietat quàntica de les partícules elementals i pot representar-se com un moment angular intrínsec i quantitzat, és a dir, com un gir que pot prendre uns valors únics en una direcció determinada. En la direcció preferencial Z, l'spin presa els valoris s = ½ i s = -½ (ascendents i descendents), és a dir, si representem l'electró de manera clàssica, el representaríem com una partícula que gira cap amunt o cap avall.
Atès que l'electró és una partícula carregada, té un moment magnètic associat al spin:>. Això significa que l'electró es comporta com un imant microscòpic. De fet, la magnetització d'imants i/o materials ferromagnètics (FM) es deu al fet que aquests materials estan orientats a una determinada direcció de spines. Per això, quan es transporta un corrent de càrrega a través d'un material FM, aquesta sol estar polaritzada: els spines dels electrons que transporten el corrent també estan alineats. Com es pot observar en la figura 2, executant el mateix transport de càrrega, en el cas de la càrrega polaritzada es pot transportar més informació (de la càrrega i de la spina), de manera que consumint la mateixa quantitat d'energia s'agiliti el procesament de dades.
La spintrónica va néixer a la fi de la dècada dels vuitanta i ha tingut aplicacions diverses. Es basen en la generació de corrents polaritzats, el transport a distàncies curtes i la detecció, per exemple, dispositius que llegeixen informació emmagatzemada en discos durs. En l'actualitat, no obstant això, el desenvolupament de la spintrónica vindrà de la mà de dispositius de segona generació que substituiran el corrent de càrrega per un corrent de spin pura per a reduir les pèrdues de calor provocades per l'efecte Joule i el consegüent consum energètic. Com es pot observar en la figura 2(c), la presència d'un corrent pur de spin redueix considerablement la pèrdua de calor provocada per la fricció dels mateixos mitjançant un corrent de càrrega polaritzada. Tingues en compte que el corrent de spin es defineix com JS = J - J, on J i J són els corrents de càrrega associades al spin ascendent i descendent, l'spin descendent que va cap a l'esquerra és equivalent al spin ascendent que va cap a la dreta, per la qual cosa la informació de spin que es transporta en les figures 2(b) i 2(c) és la mateixa.
Per a un correcte funcionament dels dispositius spintrónicos de segona generació, es necessiten tres elements principalment: (i) generació de corrents de spin pures, (ii) transport d'aquests corrents al llarg de llargues distàncies (>100 nm) i (iii) manipulació de spines transportats. Per això, l'objectiu d'aquesta tesi ha estat analitzar aquests elements utilitzant vàlvules de spin laterals. Les vàlvules de spin laterals són dispositius que permeten generar elèctricament corrents de spin pures. Dos elèctrodes FM estan constituïts per un canal no magnètic (RM) que uneix els dos elèctrodes FM i els mateixos, i la seva geometria permet dirigir un corrent elèctric d'un elèctrode FM a un canal RM, mentre es mesura la tensió a través del segon elèctrode, tal com s'indica en la figura 3(a). El corrent del primer elèctrode FM a canal RM està polaritzada al llarg de la FM, però com el material RM té el mateix número de spines ascendents i descendents, els spines procedents d'FM troben una resistència en la superfície entre els dos materials, on queden apilats en desequilibri. Per a equilibrar el sistema, aquests spines apilats s'estenen a banda i banda de l'elèctrode FM, generant un corrent de spin pura en la part que no tenim transport de càrrega. El segon elèctrode FM permet que entre el canal RM i aquest FM es produeixi de nou una acumulació de spines que es pot mesurar com una tensió elèctrica. Per tant, encara que podríem pensar que la tensió mesurada com no es mou el corrent de càrrega entre els dos elèctrodes ha de ser nul·la, existeix una tensió elèctrica mesurable creada pel corrent pur de spin o senyal de spin. La magnetització relativa entre dos elèctrodes FM modifica el signe d'aquesta tensió: quan la magnetització dels elèctrodes és paral·lela (en el mateix sentit de la magnetització de tots dos), la tensió és positiva, però quan la seva magnetització és antiparal·lela (quan les magnetitzacions tenen sentits oposats) la tensió mesurada és negativa. La magnetització dels elèctrodes es pot controlar mitjançant un camp magnètic extern. Així, mesurant la tensió en funció de la zona externa s'obté la corba de la figura 3(b), empremta dactilar de les vàlvules de spin laterals.
Les vàlvules de spin laterals són tan petites (els elèctrodes, per exemple, tenen una amplària aproximada de 100 nm) que si cauen una partícula de pols damunt poden deixar de funcionar. Per això, es fabriquen en un laboratori denominat “sala blanca” on el nombre de partícules que poden estar en l'aire està ben controlat gràcies a uns filtres especials. Per a la fabricació de les mostres s'ha utilitzat la tècnica denominada litografia per canó d'electrons. Aquesta tècnica consisteix a “escriure” sobre un polímer amb un e-canó i a evaporar el metall. Aquesta tècnica consta de diversos passos: primer s'estén sobre un substrat (normalment de silici) un polímer sensible als electrons (el que es diu resina); a continuació, mitjançant l'e-canó, s'escriu la imatge que es desitja obtenir i es revela utilitzant una substància química, és a dir, s'elimina la resina escrita. El metall s'evapora sobre ell i finalment s'introdueix tota la mostra en l'acetona perquè es dissolgui la resina, mantenint-se el metall únicament en la zona indicada per l'e-canó. En el nostre cas, hem realitzat aquest procés en dues ocasions, primer per a generar els elèctrodes FM i després posar el canal per sobre de la RM. En cada mostra s'han col·locat diferents vàlvules de spin, mesurant el senyal de spin per a diferents longituds de canal RM, per a comprendre les propietats d'aquests dispositius. Finalment, gràcies a la litografia òptica (substituint l'e-canó per llum ultraviolada) s'han creat les vies macroscòpiques que es mostren en la figura 4(d) per al contacte elèctric de la mostra.
L'alta repetibilidad en la fabricació dels nostres dispositius ens ha permès utilitzar diferents materials ferromagnètics per a generar corrents de spin pures, obtenint el màxim senyal amb permalloy (aliatge niquel ferro). A més, analitzant el transport de spin a través de la cova en funció de la temperatura, impureses magnètiques i defectes (superfícies, límits de gra, etc.) S'han identificat com a responsables de la reducció del senyal de spin. Curiosament, encara que necessitem estructures nanométricas per a mesurar senyals de spin, la seva petita dimensió augmenta els errors i alhora dificulta el transport de spines.
Finalment, s'ha proposat i desenvolupat un nou mètode de manipulació de spines a través de la interacció entre spines i materials ferromagnètics aïllants (FMI). Com aquests materials són aïllants, no transporten electrons, però la seva magnetització (M) afecta a spines que circulen per RM de canal, quan és perpendicular a ells. M és fàcilment controlable mitjançant un petit camp magnètic extern que, sent petit, no afecta a la magnetització de l'elèctrode FM. Així, quan la polarització de M i spines (s) són paral·lels no mesurem canvis en el senyal de spin, mentre que quan M i s són perpendiculars entre si, l'FMI absorbeix spines i el senyal mesurat és menor. Per a comprovar el mètode proposat, hem fabricat les vàlvules de spin laterals sobre un itri i un granat de ferro i, canviant la direcció de M amb l'angle ? (però mantenint el seu valor fix en 250 oersteds), hem detectat una modulació del 8% en el senyal mesurat per a la magnetització paral·lela i antiparal·lela de l'elèctrode FM. Aquesta modulació és totalment evident i es considera que, tant optimitzant el procés de fabricació com seleccionant els materials adequats, es pot incrementar notablement. D'aquesta forma, hem obert el camí a realitzar operacions lògiques amb corrents de spin pures. Aquest és un requisit imprescindible si volem substituir l'electrònica convencional per spintrónica que flueix gràcies als corrents de spin pures.
Bibliografia
