Nueva electrónica sin transporte de carga
2015/06/01 Villamor Lomas, Estitxu - Fisikan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria
¿Quién diría que cuando en 1946 se inventó el primer ordenador, hoy cualquiera de nosotros llevaría un ordenador en el bolsillo? Este ordenador ENIAC, creado en la Universidad de Pennsylvania, tenía una superficie de 167 m2, pesaba 27 toneladas, cuando se utilizaba la temperatura de la habitación se elevaba a 50 ºC y tenía un consumo de 160 kW, entre otras cosas, para hacer 5.000 sumas y 300 multiplicaciones. En la actualidad, la invención del transistor y la miniaturización de los circuitos electrónicos hacen que nuestros teléfonos móviles sean ordenadores mucho más eficientes, más rápidos y puedan realizar más operaciones lógicas. En 1965, Gordon E era uno de los fundadores de la empresa Intel. Moore, basándose en la tendencia anterior, formuló la siguiente ley empírica: el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años. Debido a la previsión de la Ley de Moore, Intel y el resto de empresas de microelectrónica han tratado de mantener esta tendencia, lo que permite fabricar dispositivos electrónicos cada vez más rápidos y pequeños.
Pero esta continua reducción de circuitos también tiene sus limitaciones. Por un lado, porque las pérdidas energéticas son enormes (se transforma en calor): Debido al efecto Joule, la disipación de la carga que pasa por volúmenes tan pequeños suele ser muy alta, ya que la densidad de potencia de nuestros ordenadores suele ser mayor que la de un reactor nuclear; por otro lado, porque aparecen fluctuaciones cuánticas: a medida que nos acercamos al tamaño de los átomos, los electrones, además de su naturaleza de partículas, tienen también carácter de onda y pueden escapar de un elemento a otro del circuito. Por ello, si queremos aumentar las velocidades de procesado de datos de los dispositivos electrónicos y reducir el consumo energético, necesitamos un cambio.
En esta tesis para este cambio hemos propuesto la opción de spintrónica, que es un nuevo campo de la electrónica que aprovecha la carga del electrón y su spin. El spin es una propiedad cuántica de las partículas elementales y puede representarse como un momento angular intrínseco y cuantizado, es decir, como un giro que puede tomar unos valores únicos en una dirección determinada. En la dirección preferencial Z, el spin toma los valores s = ½ y s = -½ (ascendentes y descendentes), es decir, si representamos el electrón de forma clásica, lo representaríamos como una partícula que gira hacia arriba o hacia abajo.
Dado que el electrón es una partícula cargada, tiene un momento magnético asociado al spin:>. Esto significa que el electrón se comporta como un imán microscópico. De hecho, la magnetización de imanes y/o materiales ferromagnéticos (FM) se debe a que estos materiales están orientados a una determinada dirección de spines. Por ello, cuando se transporta una corriente de carga a través de un material FM, ésta suele estar polarizada: los spines de los electrones que transportan la corriente también están alineados. Como se puede observar en la figura 2, ejecutando el mismo transporte de carga, en el caso de la carga polarizada se puede transportar más información (de la carga y de la spina), de forma que consumiendo la misma cantidad de energía se agilice el proceso de datos.
La spintrónica nació a finales de la década de los ochenta y ha tenido aplicaciones diversas. Se basan en la generación de corrientes polarizadas, el transporte a distancias cortas y la detección, por ejemplo, dispositivos que leen información almacenada en discos duros. En la actualidad, sin embargo, el desarrollo de la spintrónica vendrá de la mano de dispositivos de segunda generación que sustituirán la corriente de carga por una corriente de spin pura para reducir las pérdidas de calor provocadas por el efecto Joule y el consiguiente consumo energético. Como se puede observar en la figura 2(c), la presencia de una corriente pura de spin reduce considerablemente la pérdida de calor provocada por la fricción de los mismos mediante una corriente de carga polarizada. Ten en cuenta que la corriente de spin se define como JS = J - J, donde J y J son las corrientes de carga asociadas al spin ascendente y descendente, el spin descendente que va hacia la izquierda es equivalente al spin ascendente que va hacia la derecha, por lo que la información de spin que se transporta en las figuras 2(b) y 2(c) es la misma.
Para un correcto funcionamiento de los dispositivos spintrónicos de segunda generación, se necesitan tres elementos principalmente: (i) generación de corrientes de spin puras, (ii) transporte de dichas corrientes a lo largo de largas distancias (>100 nm) y (iii) manipulación de spines transportados. Por ello, el objetivo de esta tesis ha sido analizar estos elementos utilizando válvulas de spin laterales. Las válvulas de spin laterales son dispositivos que permiten generar eléctricamente corrientes de spin puras. Dos electrodos FM están constituidos por un canal no magnético (RM) que une los dos electrodos FM y los mismos, y su geometría permite dirigir una corriente eléctrica de un electrodo FM a un canal RM, mientras se mide la tensión a través del segundo electrodo, tal y como se indica en la figura 3(a). La corriente del primer electrodo FM a canal RM está polarizada a lo largo de la FM, pero como el material RM tiene el mismo número de spines ascendentes y descendentes, los spines procedentes de FM encuentran una resistencia en la superficie entre los dos materiales, donde quedan apilados en desequilibrio. Para equilibrar el sistema, estos spines apilados se extienden a ambos lados del electrodo FM, generando una corriente de spin pura en la parte que no tenemos transporte de carga. El segundo electrodo FM permite que entre el canal RM y este FM se produzca de nuevo una acumulación de spines que se puede medir como una tensión eléctrica. Por lo tanto, aunque podríamos pensar que la tensión medida como no se mueve la corriente de carga entre los dos electrodos debe ser nula, existe una tensión eléctrica medible creada por la corriente pura de spin o señal de spin. La magnetización relativa entre dos electrodos FM modifica el signo de esta tensión: cuando la magnetización de los electrodos es paralela (en el mismo sentido de la magnetización de ambos), la tensión es positiva, pero cuando su magnetización es antiparalela (cuando las magnetizaciones tienen sentidos opuestos) la tensión medida es negativa. La magnetización de los electrodos se puede controlar mediante un campo magnético externo. Así, midiendo la tensión en función de la zona externa se obtiene la curva de la figura 3(b), huella dactilar de las válvulas de spin laterales.
Las válvulas de spin laterales son tan pequeñas (los electrodos, por ejemplo, tienen una anchura aproximada de 100 nm) que si caen una partícula de polvo encima pueden dejar de funcionar. Por ello, se fabrican en un laboratorio denominado “sala blanca” donde el número de partículas que pueden estar en el aire está bien controlado gracias a unos filtros especiales. Para la fabricación de las muestras se ha utilizado la técnica denominada litografía por cañón de electrones. Esta técnica consiste en “escribir” sobre un polímero con un e-cañón y en evaporar el metal. Esta técnica consta de varios pasos: primero se extiende sobre un sustrato (normalmente de silicio) un polímero sensible a los electrones (lo que se llama resina); a continuación, mediante el e-cañón, se escribe la imagen que se desea obtener y se revela utilizando una sustancia química, es decir, se elimina la resina escrita. El metal se evapora sobre él y finalmente se introduce toda la muestra en la acetona para que se disuelva la resina, manteniéndose el metal únicamente en la zona indicada por el e-cañón. En nuestro caso, hemos realizado este proceso en dos ocasiones, primero para generar los electrodos FM y después poner el canal por encima de la RM. En cada muestra se han colocado diferentes válvulas de spin, midiendo la señal de spin para diferentes longitudes de canal RM, para comprender las propiedades de estos dispositivos. Finalmente, gracias a la litografía óptica (sustituyendo el e-cañón por luz ultravioleta) se han creado las vías macroscópicas que se muestran en la figura 4(d) para el contacto eléctrico de la muestra.
La alta repetibilidad en la fabricación de nuestros dispositivos nos ha permitido utilizar diferentes materiales ferromagnéticos para generar corrientes de spin puras, obteniendo la máxima señal con permalloy (aleación niquel hierro). Además, analizando el transporte de spin a través de la cueva en función de la temperatura, impurezas magnéticas y defectos (superficies, límites de grano, etc.) Se han identificado como responsables de la reducción de la señal de spin. Curiosamente, aunque necesitamos estructuras nanométricas para medir señales de spin, su pequeña dimensión aumenta los errores y a la vez dificulta el transporte de spines.
Finalmente, se ha propuesto y desarrollado un nuevo método de manipulación de spines a través de la interacción entre spines y materiales ferromagnéticos aislantes (FMI). Como estos materiales son aislantes, no transportan electrones, pero su magnetización (M) afecta a spines que circulan por RM de canal, cuando es perpendicular a ellos. M es fácilmente controlable mediante un pequeño campo magnético externo que, siendo pequeño, no afecta a la magnetización del electrodo FM. Así, cuando la polarización de M y spines (s) son paralelos no medimos cambios en la señal de spin, mientras que cuando M y s son perpendiculares entre sí, el FMI absorbe spines y la señal medida es menor. Para comprobar el método propuesto, hemos fabricado las válvulas de spin laterales sobre un itrio y un granate de hierro y, cambiando la dirección de M con el ángulo ? (pero manteniendo su valor fijo en 250 oersteds), hemos detectado una modulación del 8% en la señal medida para la magnetización paralela y antiparalela del electrodo FM. Esta modulación es totalmente evidente y se considera que, tanto optimizando el proceso de fabricación como seleccionando los materiales adecuados, se puede incrementar notablemente. De esta forma, hemos abierto el camino a realizar operaciones lógicas con corrientes de spin puras. Este es un requisito imprescindible si queremos sustituir la electrónica convencional por spintrónica que fluye gracias a las corrientes de spin puras.
Bibliografía
