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(noticias nanowerk) Físicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han desarrollado un concepto para inducir y cuantificar directamente la división del espín en materiales bidimensionales. Utilizando este concepto, lograron experimentalmente una gran sintonizabilidad y un alto grado de polarización de espín en el grafeno. Este logro de investigación puede potencialmente hacer avanzar el campo de la espintrónica bidimensional (2D) con aplicaciones a la electrónica de baja potencia.
El calentamiento Joule es un gran desafío en la electrónica moderna, particularmente en dispositivos como computadoras personales y teléfonos inteligentes. Este es un efecto que ocurre cuando la corriente eléctrica que fluye a través de un material genera energía térmica y posteriormente aumenta la temperatura del material. Una posible solución es utilizar espín en lugar de carga en circuitos lógicos. Estos circuitos pueden, en principio, proporcionar un bajo consumo de energía y una velocidad ultrarrápida porque se reduce o elimina el calentamiento Joule. Esto dio origen al campo emergente de la espintrónica.
El grafeno es un material 2D ideal para la espintrónica debido a su larga longitud de difusión de espín y su larga vida útil incluso a temperatura ambiente. Aunque el grafeno no está inherentemente polarizado por espín, se puede estimular para que exhiba un comportamiento de división de espín cuando se coloca cerca de materiales magnéticos. Sin embargo, existen dos desafíos principales. Faltan métodos directos para determinar la energía de división del espín y las propiedades de espín y la capacidad de sintonización del grafeno son limitadas.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Ariando del Departamento de Física de NUS desarrolló un concepto innovador para cuantificar directamente la energía de división del espín en el grafeno magnético utilizando el desplazamiento en abanico de Landau. El desplazamiento del ventilador de Landau es el desplazamiento de la intersección del eje cuando se representan ajustes lineales de la frecuencia de oscilación con los portadores de carga, que se debe a la división de los niveles de energía de las partículas cargadas en un campo magnético. Se puede utilizar para estudiar las propiedades fundamentales de la materia. Además, la energía de división del espín inducida se puede ajustar en un amplio rango mediante una técnica llamada enfriamiento de campo. La alta polarización de espín observada en el grafeno, junto con su capacidad de sintonización de la energía de división del espín, proporciona una vía prometedora para el desarrollo de la espintrónica 2D para electrónica de baja potencia.
Los resultados fueron publicados en la revista. Materiales avanzados (“Estados polarizados por espín sintonizables en grafeno sobre un aislante de óxido ferrimagnético”).
Para validar su enfoque, los investigadores realizaron una serie de experimentos. Comenzaron creando una estructura de grafeno magnético apilando una monocapa de grafeno sobre un óxido aislante magnético Tm.3fe5oh12 (TMIG). Esta estructura única les permitió utilizar el desplazamiento del ventilador de Landau para cuantificar directamente el valor de la energía de fisión de espín de 132 meV en el grafeno magnético. Para confirmar aún más la conexión directa entre el cambio del ventilador de Landau y la energía de división del espín, los investigadores realizaron experimentos de enfriamiento de campo para ajustar el grado de división del espín en el grafeno. También aplicaron dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD) en la fuente de luz del Sincrotrón de Singapur para descubrir los orígenes de la polarización del espín.
Dr. Junxiong HU, autor principal del artículo de investigación, dijo: «Nuestro trabajo resuelve la controversia de larga data en la espintrónica 2D mediante el desarrollo de un concepto que utiliza el desplazamiento del ventilador de Landau para cuantificar directamente la división del espín en materiales magnéticos».
Para respaldar aún más sus resultados experimentales, los investigadores colaboraron con un equipo teórico dirigido por el profesor Zhenhua QIAO de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China para calcular la energía de fisión de espín utilizando cálculos de primeros principios. Los resultados teóricos obtenidos fueron consistentes con sus datos experimentales. Además, utilizaron el aprendizaje automático para ajustar sus datos experimentales mediante un modelo fenomenológico que permite una comprensión más profunda de la sintonizabilidad de la energía de fisión del espín mediante el enfriamiento del campo.
El profesor Ariando dijo: “Nuestro trabajo desarrolla una forma sólida y única de generar, detectar y manipular el espín de los electrones en materiales atómicamente delgados. También demuestra un uso práctico de la inteligencia artificial en la ciencia de materiales. Dado el rápido desarrollo y el gran interés en el campo de los imanes 2D y el magnetismo inducido por apilamiento en heteroestructuras de van der Waals atómicamente delgadas, creemos que nuestros resultados pueden extenderse a otros sistemas magnéticos 2D”.
Sobre la base de este estudio de prueba de concepto, el equipo de investigación planea investigar la manipulación de la corriente de espín a temperatura ambiente. Su objetivo es aplicar sus hallazgos en el desarrollo de circuitos lógicos de espín 2D y dispositivos de detección/memoria magnética. La capacidad de ajustar eficientemente la polarización de espín de la corriente sienta las bases para la realización de un transistor de efecto de campo de espín totalmente eléctrico y marca el comienzo de una nueva era de electrónica de baja potencia y velocidad ultrarrápida.
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