Nova electrónica sen transporte de carga
2015/06/01 Villamor Lomas, Estitxu - Fisikan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria
Quen diría que cando en 1946 inventouse o primeiro computador, hoxe calquera de nós levaría un computador no peto? Este computador ENIAC, creado na Universidade de Pennsylvania, tiña una superficie de 167 m2, pesaba 27 toneladas, cando se utilizaba a temperatura da habitación elevábase a 50 ºC e tiña un consumo de 160 kW, entre outras cousas, paira facer 5.000 sumas e 300 multiplicacións. Na actualidade, a invención do transistor e a miniaturización dos circuítos electrónicos fan que os nosos teléfonos móbiles sexan ordenadores moito máis eficientes, máis rápidos e poidan realizar máis operacións lóxicas. En 1965, Gordon E era un dos fundadores da empresa Intel. Moore, baseándose na tendencia anterior, formulou a seguinte lei empírica: o número de transistores nun circuíto integrado duplícase cada dous anos. Debido á previsión da Lei de Moore, Intel e o resto de empresas de microelectrónica trataron de manter esta tendencia, o que permite fabricar dispositivos electrónicos cada vez máis rápidos e pequenos.
Pero esta continua redución de circuítos tamén ten as súas limitacións. Por unha banda, porque as perdas enerxéticas son enormes (transfórmase en calor): Debido ao efecto Joule, a disipación da carga que pasa por volumes tan pequenos adoita ser moi alta, xa que a densidade de potencia dos nosos computadores adoita ser maior que a dun reactor nuclear; doutra banda, porque aparecen fluctuaciones cuánticas: a medida que nos achegamos ao tamaño dos átomos, os electróns, ademais da súa natureza de partículas, teñen tamén carácter de onda e poden escapar dun elemento a outro do circuíto. Por iso, se queremos aumentar as velocidades de procesado de datos dos dispositivos electrónicos e reducir o consumo enerxético, necesitamos un cambio.
Nesta tese paira este cambio propuxemos a opción de spintrónica, que é un novo campo da electrónica que aproveita a carga do electrón e o seu spin. O spin é una propiedade cuántica das partículas elementais e pode representarse como un momento angular intrínseco e cuantizado, é dicir, como un xiro que pode tomar uns valores únicos nunha dirección determinada. Na dirección preferente Z, o spin toma os valores s = ½ e s = -½ (ascendentes e descendentes), é dicir, se representamos o electrón de forma clásica, representariámolo como una partícula que vira cara arriba ou cara abaixo.
Dado que o electrón é una partícula cargada, ten un momento magnético asociado ao spin:>. Isto significa que o electrón se comporta como un imán microscópico. De feito, a magnetización de imáns e/ou materiais ferromagnéticos (FM) débese a que estes materiais están orientados a unha determinada dirección de spines. Por iso, cando se transporta una corrente de carga a través dunha material FM, esta adoita estar polarizada: os spines dos electróns que transportan a corrente tamén están aliñados. Como se pode observar na figura 2, executando o mesmo transporte de carga, no caso da carga polarizada pódese transportar máis información (da carga e da spina), de forma que consumindo a mesma cantidade de enerxía axilícese o proceso de datos.
A spintrónica naceu a finais da década do oitenta e tivo aplicacións diversas. Baséanse na xeración de correntes polarizadas, o transporte a distancias curtas e a detección, por exemplo, dispositivos que len información almacenada en discos duros. Na actualidade, con todo, o desenvolvemento da spintrónica virá da man de dispositivos de segunda xeración que substituirán a corrente de carga por unha corrente de spin pura paira reducir as perdas de calor provocadas polo efecto Joule e o consecuente consumo enerxético. Como se pode observar na figura 2(c), a presenza dunha corrente pura de spin reduce considerablemente a perda de calor provocada pola fricción dos mesmos mediante unha corrente de carga polarizada. Ten en conta que a corrente de spin defínese como JS = J - J, onde J e J son as correntes de carga asociadas ao spin ascendente e descendente, o spin descendente que vai cara á esquerda é equivalente ao spin ascendente que vai cara á dereita, polo que a información de spin que se transporta nas figuras 2(b) e 2(c) é a mesma.
Paira un correcto funcionamento dos dispositivos spintrónicos de segunda xeración, necesítanse tres elementos principalmente: (i) xeración de correntes de spin puras, (ii) transporte de ditas correntes ao longo de longas distancias (>100 nm) e (iii) manipulación de spines transportados. Por iso, o obxectivo desta tese foi analizar estes elementos utilizando válvulas de spin laterais. As válvulas de spin laterais son dispositivos que permiten xerar eléctricamente correntes de spin puras. Dous electrodos FM están constituídos por unha canle non magnética (RM) que une os dous electrodos FM e os mesmos, e a súa xeometría permite dirixir una corrente eléctrica dun electrodo FM a unha canle RM, mentres se mide a tensión a través do segundo electrodo, tal e como se indica na figura 3(a). A corrente do primeiro electrodo FM a canle RM está polarizada ao longo da FM, pero como o material RM ten o mesmo número de spines ascendentes e descendentes, os spines procedentes de FM atopan una resistencia na superficie entre os dous materiais, onde quedan apilados en desequilibrio. Paira equilibrar o sistema, estes spines apilados esténdense a ambos os dous lados do electrodo FM, xerando una corrente de spin pura na parte que non temos transporte de carga. O segundo electrodo FM permite que entre a canle RM e esta FM prodúzase de novo una acumulación de spines que se pode medir como una tensión eléctrica. Por tanto, aínda que poderiamos pensar que a tensión medida como non se move a corrente de carga entre os dous electrodos debe ser nula, existe una tensión eléctrica medible creada pola corrente pura de spin ou sinal de spin. A magnetización relativa entre dúas electrodos FM modifica o signo desta tensión: cando a magnetización dos electrodos é paralela (no mesmo sentido da magnetización de ambos os), a tensión é positiva, pero cando a súa magnetización é antiparalela (cando as magnetizaciones teñen sentidos opostos) a tensión medida é negativa. A magnetización dos electrodos pódese controlar mediante un campo magnético externo. Así, medindo a tensión en función da zona externa obtense a curva da figura 3(b), pegada dactilar das válvulas de spin laterais.
As válvulas de spin laterais son tan pequenas (os electrodos, por exemplo, teñen una anchura aproximada de 100 nm) que si caen una partícula de po encima poden deixar de funcionar. Por iso, fabrícanse nun laboratorio denominado “sala branca” onde o número de partículas que poden estar no aire está ben controlado grazas a uns filtros especiais. Paira a fabricación das mostras utilizouse a técnica denominada litografía por canón de electróns. Esta técnica consiste en “escribir” sobre un polímero cun e-canón e en evaporar o metal. Esta técnica consta de varios pasos: primeiro esténdese sobre un substrato (normalmente de silicio) un polímero sensible aos electróns (o que se chama resina); a continuación, mediante o e-canón, escríbese a imaxe que se desexa obter e revélase utilizando una sustancia química, é dicir, elimínase a resina escrita. O metal se evapora sobre el e finalmente introdúcese toda a mostra na acetona para que se disolva a resina, manténdose o metal unicamente na zona indicada polo e-canón. No noso caso, realizamos este proceso en dúas ocasións, primeiro paira xerar os electrodos FM e despois pór a canle por encima da RM. En cada mostra colocáronse diferentes válvulas de spin, medindo o sinal de spin paira diferentes lonxitudes de canle RM, paira comprender as propiedades destes dispositivos. Finalmente, grazas á litografía óptica (substituíndo o e-canón por luz ultravioleta) creáronse as vías macroscópicas que se mostran na figura 4(d) paira o contacto eléctrico da mostra.
A alta repetibilidad na fabricación dos nosos dispositivos permitiunos utilizar diferentes materiais ferromagnéticos paira xerar correntes de spin puras, obtendo o máximo sinal con permalloy (aliaxe niquel ferro). Ademais, analizando o transporte de spin a través da cova en función da temperatura, impurezas magnéticas e defectos (superficies, límites de gran, etc.) Identificáronse como responsables da redución do sinal de spin. Curiosamente, aínda que necesitamos estruturas nanométricas paira medir sinais de spin, a súa pequena dimensión aumenta os erros e á vez dificulta o transporte de spines.
Finalmente, propúxose e desenvolvido un novo método de manipulación de spines a través da interacción entre spines e materiais ferromagnéticos illantes (FMI). Como estes materiais son illantes, non transportan electróns, pero o seu magnetización (M) afecta a spines que circulan por RM de canle, cando é perpendicular a eles. M é facilmente controlable mediante un pequeno campo magnético externo que, sendo pequeno, non afecta á magnetización do electrodo FM. Así, cando a polarización de M e spines (s) son paralelos non medimos cambios no sinal de spin, mentres que cando M e s son perpendiculares entre si, o FMI absorbe spines e o sinal medido é menor. Paira comprobar o método proposto, fabricamos as válvulas de spin laterais sobre un itrio e un granate de ferro e, cambiando a dirección de M co ángulo ? (pero mantendo o seu valor fixo en 250 oersteds), detectamos una modulación do 8% no sinal medido paira a magnetización paralela e antiparalela do electrodo FM. Esta modulación é totalmente evidente e considérase que, tanto optimizando o proceso de fabricación como seleccionando os materiais adecuados, pódese incrementar notablemente. Desta forma, abrimos o camiño a realizar operacións lóxicas con correntes de spin puras. Este é un requisito imprescindible si queremos substituír a electrónica convencional por spintrónica que flúe grazas ás correntes de spin puras.
Bibliografía
