Espín–What?, Espintrónica II

 

La semana anterior presentamos el primer número sobre espintrónica. Presentamos ahora la segunda parte.

La espintrónica tiene como base tres líneas de investigación fundamental:

 

• Materiales ferromagnéticos,
• Corrientes polarizadas del espín a través  de semiconductores,
• Dispositivos multifuncionales.

 

De éstas se han derivado algunas otras.

Las tecnologías de almacenamiento más sofisticadas basadas en la espintrónica se encuentran en una etapa avanzada. Las MRAM son un nuevo tipo de memoria, conserva su estado aun cuando se desconecta la potencia; pero, a diferencia de las memorias no volátiles actuales, las velocidades de encendido y re-escrituración son más eficientes. Las MRAM almacenan los datos en uniones túnel magnético, dichas uniones tienen dos capas ferromagnéticas separadas por una delgada barrera aislante. La primera capa polariza los espines de los electrones que llevan la corriente, los cuales cruzan la barrera hacía la segunda capa por tunelamiento cuántico, en este momento ambas capas están alineadas. Cuando el magnetismo de la segunda capa ferromagnética se invierte, el tunelamiento se reduce. En el presente, las computadoras portátiles contienen unos discos duros de alta capacidad de almacenamiento por mm² con principios espintrónicos.

La espintrónica ha logrado conjugar el funcionamiento de los semiconductores y la materiales ferromagnéticos simultáneamente. Como consecuencia de esta unión se ha generado una riqueza de técnicas existentes en la nanoelectrónica y también el desencadenamiento de más tipos de dispositivos que son posibles gracias a las propiedades ópticas de alta calidad de los semiconductores, así como su habilidad para amplificar las señales eléctricas y ópticas.

Un diseño propuesto del espín FET contiene una fuente y un colector, separados por un canal semiconductor estrecho, igual que un transistor de efecto de campo  (FET), convencional. En el FET del espín, tanto la fuente como el colector son ferromagnéticos, la fuente envía electrones con espín polarizados hacía el canal y esta corriente de espines fluye fácilmente si llega inalterada al colector. Un voltaje aplicado al electrodo de la compuerta produce un campo eléctrico en el canal, lo cual provoca la precesión de los espines de los electrones que se mueven rápido. El colector retarda la corriente del espín de acuerdo con qué tanto haya rotado los espines. Al girar los espines en esta forma, requieren una cantidad menor de energía y es más rápido que el proceso convencional de los FET de empujar las cargas fuera del canal con un campo eléctrico mayor.

En una computadora convencional cada bit tiene un valor definido de 0 o 1. Una serie de ocho bits puede representar cualquier número de 0 a 255, pero sólo un número a la vez. Los espines de los electrones restringidos a espín hacía arriba podrían usarse como bits. Los bits cuánticos, o QUbits, pueden existir también como superposiciones de 0 o 1, siendo en efecto ambos números a la vez. Ocho qubits pueden representar cualquier número de 0 a 255 simultáneamente.

Los espines de los electrones son qubits naturales; un electrón inclinado es una superposición coherente de espín hacía arriba y espín hacía abajo y es menos frágil  con otros estados cuánticos electrónicos. Los qubits son extremadamente delicados, interacciones directas con su entorno degradan las superposiciones en forma extremadamente rápida, convirtiéndose típicamente en bits ordinarios aleatorios.

Por último, los dispositivos multifuncionales es la máxima ambición en esta área, y ya se han desarrollado en laboratorio los primeros dispositivos cuánticos; después de existir las compuertas lógicas de 1’s y 0’s, ahora se buscan las compuertas cuánticas apoyándose con los fit’s (bits de fase, con fundamentos espintrónicos), lo cual viene a revolucionar los sistemas de control por medio de la tan añorada computadora cuántica.

Después de haber mencionado los principios, líneas de desarrollo y aplicaciones de la espintrónica, nos encontramos en una nueva etapa de la tecnología de gran efecto en la industria de la electrónica y sus derivaciones debido a la dependencia de los sistemas de control; ahora solamente es cuestión de tiempo para desarrollar el primer circuito relativista, el que conjuntaría la espintrónica y el grafeno. Dado esto se podrán desarrollar varias aplicaciones simultáneamente: almacenamiento, lógica y comunicación y, por qué no mencionar también, nuevas tecnológicas “exóticas”.

Estamos pues, caminando por un puente cuyo final no alcanzamos a ver, pero que ya nos muestra nuevos caminos que nos deslumbran, variadas dimensiones de lo que es la nueva era tecnológica. En un par de años podremos disfrutar de sus bondades.

jmadrigal.melchor@fisica.uaz.edu.mx y icerarevi@hotmail.com