Espintrónica
Electrónica de estado sólido basada en el espín del electrón

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 ocupa del acoplamiento espín-carga en sistemas metálicos; los efectos análogos en los aislantes caen en el campo de los multiferroicos .

La espintrónica se diferencia fundamentalmente de la electrónica tradicional en que, además del estado de carga, se utilizan los espines de los electrones como un grado adicional de libertad, con implicaciones en la eficiencia del almacenamiento y la 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 .

Historia

La espintrónica surgió a partir de los descubrimientos de 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 polarizados por espín desde un metal ferromagnético a un metal normal por Johnson y Silsbee (1985) [5] y el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante de forma independiente por Albert Fert et al. [6] y Peter Grünberg et al. (1988). [7] El origen de la espintrónica se puede rastrear hasta los experimentos de tunelización de ferroimanes/superconductores iniciados por Meservey y Tedrow y los experimentos iniciales sobre uniones túnel magnéticas por Julliere en la década de 1970. [8] El uso de semiconductores para la espintrónica comenzó con la propuesta teórica de un transistor de efecto de campo de espín por Datta y Das en 1990 [9] y de la resonancia de espín dipolar eléctrica por Rashba en 1960. [10]

Teoría

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 estadística de espín . Al igual que el momento angular orbital, el espín tiene un momento magnético asociado , cuya magnitud se expresa como 1 2 ℏ {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\hbar }

micras = 3 2 q metro mi ℏ {\displaystyle \mu ={\frac {\sqrt {3}}{2}}{\frac {q}{m_{e}}}\hbar } .

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 ferroimán .

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

PAG incógnita = incógnita ↑ − incógnita ↓ incógnita ↑ + incógnita ↓ {\displaystyle P_{X}={\frac {X_{\uparrow }-X_{\downarrow }}{X_{\uparrow }+X_{\downarrow }}}} .

Se puede lograr una polarización neta de espín mediante la creación de una división de energía de equilibrio entre el espín hacia arriba y el espín hacia abajo. Los métodos incluyen poner un material en un campo magnético grande ( efecto Zeeman ), la energía de intercambio presente en un ferroimán o forzar al sistema a salir del equilibrio. El período de tiempo que se puede mantener una población de no equilibrio se conoce como tiempo de vida del espín . τ {\displaystyle \tau }

En un conductor difusivo, la longitud de difusión de espín se puede definir como la distancia a lo largo de la cual se puede propagar una población de espín que no está en equilibrio. La vida útil de los electrones de conducción en los metales es relativamente corta (normalmente, menos de un nanosegundo). Un área de investigación importante se dedica a extender esta vida útil a escalas de tiempo tecnológicamente relevantes. λ {\displaystyle \lambda }

Un gráfico que muestra una población de electrones con espín hacia arriba, hacia abajo y la población de electrones con espín polarizado resultante. Dentro de un inyector de espín, la polarización es constante, mientras que fuera del inyector, la polarización decae exponencialmente hasta cero a medida que las poblaciones con espín hacia arriba y hacia abajo alcanzan el equilibrio.

Los mecanismos de desintegración de una población polarizada por espín se pueden clasificar en líneas generales como dispersión por inversión de espín y desfase de espín. La dispersión por inversión de espín es un proceso dentro de un sólido que no conserva el espín y, por lo tanto, puede cambiar un estado de espín entrante hacia arriba en un estado de espín saliente hacia abajo. 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 diferentes tasas de precesión de espín de electrones . En estructuras confinadas, el desfase de espín se puede suprimir, lo que lleva a tiempos de vida de espín de milisegundos en puntos cuánticos de semiconductores a bajas temperaturas.

Los superconductores pueden mejorar los efectos centrales en la espintrónica, como los efectos de magnetorresistencia, la duración del espín y las corrientes de espín sin disipación. [11] [12]

El método más simple para generar una corriente polarizada por espín en un metal es hacerla pasar 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 separadas 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 están antialineadas. Esto constituye un sensor de campo magnético.

Se han aplicado dos variantes de GMR en los dispositivos: (1) corriente en el plano (CIP), donde la corriente eléctrica fluye paralela 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 tunelización mecánico-cuántica de electrones a través de un aislante delgado que separa las capas ferromagnéticas.
  • Par de transferencia de espín , donde se utiliza una corriente de electrones polarizados por espín para controlar la dirección de magnetización de los electrodos ferromagnéticos en el dispositivo.
  • Los dispositivos de lógica de ondas de espín transportan información en la fase. La interferencia y la dispersión de ondas de espín pueden realizar operaciones lógicas.

Dispositivos de lógica espintrónica

Los dispositivos de lógica de espín no volátiles que permiten el escalamiento se están estudiando ampliamente. [13] Se han propuesto dispositivos lógicos basados ​​en par y transferencia de espín que utilizan espines e imanes para el procesamiento de información. [14] [15] Estos dispositivos son parte de la hoja de ruta exploratoria de ITRS . Las aplicaciones de lógica en memoria ya están en la etapa de desarrollo. [16] [17] Se puede encontrar un artículo de revisión de 2017 en Materials Today . [4]

Se ha propuesto una teoría de circuitos generalizada para circuitos integrados espintrónicos [18], de modo que los desarrolladores de SPICE y, posteriormente, los diseñadores de circuitos y sistemas puedan utilizar la física del transporte de espín para la exploración de la espintrónica para “más allá de la computación CMOS”.

Aplicaciones

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

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

Otro diseño, la memoria de pista de carreras , una nueva arquitectura de memoria propuesta por el Dr. Stuart SP Parkin , codifica información en la dirección de magnetización entre las paredes de dominio de un cable ferromagnético.

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

Dispositivos espintrónicos basados ​​en semiconductores

Los materiales semiconductores dopados presentan un 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 utilizando inyección de electrones calientes. [28]

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

  • Rotación de fotones transmitidos/reflejados de Faraday/Kerr [29]
  • Análisis de polarización circular de la electroluminiscencia [30]
  • Válvula de espín no local (adaptada del trabajo de Johnson y Silsbee con metales) [31]
  • Filtrado de espín 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 silicio . [33]

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

Aplicaciones

Las aplicaciones que utilizan inyección eléctrica con polarización de espín han demostrado una reducción de la corriente umbral y una salida de luz coherente con polarización circular 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 subumbral 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 polarizados por espín en la base.
  • Base (FM2): La dispersión dependiente del espín se produce en la base. También funciona como filtro de espín.
  • Colector (GaAs): En la interfase se forma una barrera Schottky que solo recoge electrones que tienen suficiente energía para superar la barrera Schottky y cuando hay estados disponibles en el semiconductor.

La magnetocorriente (MC) se expresa como:

M C = I c , p − I c , a p I c , a p {\displaystyle MC={\frac {I_{c,p}-I_{c,ap}}{I_{c,ap}}}}

Y la relación de transferencia (TR) es

T R = I C I E {\displaystyle TR={\frac {I_{C}}{I_{E}}}}

MTT promete una fuente de electrones altamente polarizada en espín a temperatura ambiente.

Medios de almacenamiento

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

Las principales ventajas del material antiferromagnético son:

  • insensibilidad a perturbaciones que dañan los datos por campos parásitos 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 a 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 están realizando investigaciones sobre cómo leer y escribir información en espintrónica antiferromagnética, ya que su magnetización neta cero hace que esto sea difícil en comparación con la espintrónica ferromagnética convencional. En la MRAM moderna, la detección y manipulación del orden ferromagnético por campos magnéticos se ha abandonado en gran medida en favor de una lectura y escritura más eficiente y escalable por corriente eléctrica. También se están investigando métodos de lectura y escritura de información por corriente en lugar de campos en antiferroimanes, ya que los campos son ineficaces de todos modos. Los métodos de escritura que se investigan actualmente en antiferroimanes son a través del par de transferencia de espín y el par de espín-órbita del efecto Hall de espín y el efecto Rashba . También se está explorando la lectura de información en antiferroimanes a través de efectos de magnetorresistencia como la magnetorresistencia de túnel . [40]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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  • Hito 18: Un gran salto para la electrónica: Magnetorresistencia gigante, recopilada por Nature
  • Hito 20: Información en un giro: Datta-Das, compilado por Nature
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  • Portal de espintrónica con noticias y recursos
  • RaceTrack: InformationWeek (11 de abril de 2008) Archivado el 14 de abril de 2008 en Wayback Machine
  • La investigación en espintrónica se centra en el GaAs.
  • Tutorial de espintrónica
  • Conferencia sobre el transporte de espín por S. Datta (del transistor Datta Das) —Parte 1 y Parte 2
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