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Los investigadores informan de la naturaleza de transporte de espín altamente anisotrópico del fósforo negro bidimensional, un logro significativo en el campo de la espintrónica. El estudio, publicado en Materiales naturales Fue dirigido por el profesor Barbaros Özyilmaz y el profesor asistente Ahmet Avsar, ambos afiliados al Departamento de Física y al Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Singapur (NUS).
Existe la necesidad de explorar tecnologías alternativas fuera de la electrónica tradicional, ya que los dispositivos electrónicos actuales superan los límites de la Ley de Moore y el diseño de circuitos integrados continúa enfrentando desafíos de disipación de energía. Una de esas estrategias que podría abordar estos problemas y brindar esperanza para el desarrollo de dispositivos de menor potencia es la espintrónica.
A diferencia del movimiento de carga típico de los dispositivos electrónicos, la espintrónica se centra en dispositivos novedosos que gestionan la propiedad fundamental del electrón llamada «espín». El espín les da a los electrones un carácter rotacional similar a las cargas alrededor de un eje, haciéndolos actuar como imanes en miniatura con tamaño y dirección.
Hay dos estados posibles para el espín del electrón, llamados espín “arriba” y espín “abajo”. Las rotaciones hacia la derecha y hacia la izquierda son comparables.
La espintrónica funciona modificando el espín del electrón, mientras que los dispositivos eléctricos tradicionales mueven cargas por el circuito. Esto es significativo porque, a diferencia del movimiento de giro, que inherentemente disipa menos calor, el movimiento de cargas eléctricas a través de circuitos tradicionales inevitablemente da como resultado que parte de la energía se desperdicie en forma de calor. Esta característica podría permitir que los dispositivos funcionen a niveles de potencia más bajos.
Las características de los “canales” de espín, esencialmente cables que pueden ayudar a mover los espines, son de particular interés para los investigadores que trabajan con materiales en el límite de la delgadez atómica.
La elección del material adecuado es de suma importancia en espintrónica. Los materiales de canal de espín funcionales y de alto rendimiento forman la columna vertebral de los dispositivos espintrónicos, lo que nos permite manipular y controlar los espines para diversas aplicaciones.
Barbaros Özyilmaz, Profesor, Departamento de Física, Universidad Nacional de Singapur
Uno de esos materiales recién descubiertos que está ganando cada vez más interés debido a sus ventajosas propiedades espintrónicas es el fósforo negro. Debido a la peculiar estructura cristalina ondulada del fósforo negro, la orientación de sus espines también influye en su comportamiento.
El fósforo negro exhibe un transporte de espín altamente anisotrópico, que se desvía del comportamiento isotrópico normal de los materiales de canales de espín convencionales. Su estructura cristalina confiere propiedades direccionales al transporte de espín y ofrece nuevas posibilidades para controlar dispositivos espintrónicos.
Ahmet Avsar, profesor asistente, Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Nacional de Singapur
Los científicos crearon válvulas giratorias de fósforo negro ultrafinas intercaladas entre capas de nitruro de boro hexagonal. Al introducir espines en el fósforo negro en un extremo del dispositivo y ajustar la dirección de la corriente de espín en el otro extremo, se midió la señal de espín para estudiar la anisotropía del transporte de espín.
Durante las mediciones, se aplicó un fuerte campo magnético perpendicular a la capa de fósforo negro y los resultados se compararon con los obtenidos con un campo magnético suave.
Los investigadores encontraron que la señal de espín aumentaba significativamente cuando se aplicaba un campo magnético intenso. El fuerte campo magnético hace que los espines sobresalgan del plano del material, cambiando la forma en que interactúan con su entorno y extendiendo su vida útil seis veces. Este fenómeno se debe a la estructura cristalina ondulada.
Utilizando una puerta trasera, este estudio también muestra que el fósforo negro ultrafino tiene una vida útil de espín controlable eléctricamente en el rango de milisegundos. Esta extraordinaria anisotropía de espín combinada con un transporte de espín que varía eléctricamente permite el desarrollo de nuevos dispositivos que no solo son impulsados por el estado de espín binario (arriba o abajo), sino que también utilizan la anisotropía de espín para el control direccional.
De este modo, el fósforo negro se está consolidando como una plataforma única para mejorar la manipulación del espín, un logro significativo en el campo de la espintrónica.
Referencia de la revista:
Cordón, L., et. Alabama. (2024) Transporte de espín altamente anisotrópico en fósforo negro ultrafino. Materiales naturales. doi:10.1038/s41563-023-01779-8.
Fuente: https://nus.edu.sg/
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