Espintrónica

Spintronics (un acrónimo que significa electrónica de transporte de espín), también conocida como electrónica de espín, es el estudio del espín intrínseco del electrón y su asociado momento magnético, además de su carga electrónica fundamental, en dispositivos de estado sólido. El campo de la espintrónica se refiere al acoplamiento de carga de espín en sistemas metálicos; los efectos análogos en los aisladores caen en el campo de los multiferroicos.

La espintrónica se diferencia fundamentalmente de la electrónica tradicional en que, además del estado de carga, los espines de los electrones se explotan como un mayor grado 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 relacionados con 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 de un metal ferromagnético a un metal normal por Johnson y Silsbee (1985) y el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante de forma independiente por Albert Fert et al. y Peter Grünberg et al. (1988). El origen de la espintrónica se remonta a los experimentos de túneles de ferromagnéticos/superconductores iniciados por Meservey y Tedrow y los experimentos iniciales sobre uniones de túneles magnéticos realizados por Julliere en la década de 1970. El uso de semiconductores para la espintrónica comenzó con la propuesta teórica de un transistor de efecto de campo de espín de Datta y Das en 1990 y de la resonancia de espín dipolo eléctrico de Rashba en 1960.

Teoría

El giro del electrón es un impulso angular intrínseco que está separado del impulso angular debido a su movimiento orbital. La magnitud de la proyección del giro del electrón a lo largo de un eje arbitrario es 12▪ ▪ {fnK}hbar}, implicando que el electrón actúa como un fermión por el teorema de spin-statistics. Como el impulso angular orbital, el giro tiene un momento magnético asociado, cuya magnitud se expresa como

μ μ =32qme▪ ▪ {displaystyle mu ={tfrac {cHFF} {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 ferromagnético.

En muchos materiales, los espines de los electrones están igualmente presentes tanto en el estado ascendente como en el 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 hacia arriba o hacia abajo. La polarización de cualquier propiedad dependiente del espín X se puede escribir como

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

Una polarización de giro neta se puede lograr ya sea mediante la creación de un equilibrio de energía dividido entre girar hacia arriba y girar hacia abajo. Los métodos incluyen poner un material en un gran campo magnético (efecto zeeman), la energía del intercambio presente en un ferromagnet o forzar el sistema fuera del equilibrio. El período de tiempo que se puede mantener tal población no equilibrio se conoce como la vida de la columna, τ τ {displaystyle tau }.

En un conductor difusivo, una longitud de difusión de la columna λ λ {displaystyle lambda } se puede definir como la distancia sobre la que una población de giro no equilibrio puede propagarse. Las vidas de los electrones de conducción en metales son relativamente cortas (normalmente menos de 1 nanosegundo). Una importante esfera de investigación está dedicada a extender esta vida a escalas de tiempo tecnológicamente relevantes.

Una trama que muestra un giro hacia arriba, gira hacia abajo, y la población polarizada del giro resultante de electrones. Dentro de un inyector de giro, la polarización es constante, mientras que fuera del inyector, la polarización se descompone exponencialmente a cero a medida que las poblaciones de columna arriba y abajo van al equilibrio.

Los mecanismos de decaimiento de una población polarizada de espín pueden clasificarse en términos generales como dispersión de espín-flip y desfase de espín. La dispersión spin-flip es un proceso dentro de un sólido que no conserva el spin y, por lo tanto, puede cambiar un estado de spin up entrante a un estado de spin down saliente. El desfase de espín es el proceso en el que una población de electrones con un estado de espín común se polariza menos con el tiempo debido a las diferentes tasas de precesión del espín de los electrones. En estructuras confinadas, se puede suprimir el desfase del espín, lo que da lugar a vidas útiles 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 vida útil de los espín y las corrientes de espín sin disipación.

El método más simple para generar una corriente polarizada por espín en un metal es hacer pasar la corriente 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 separados 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 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 de espintrónica basados en metales:

• magnetoresistencia del túnel (TMR), donde el transporte CPP se logra utilizando túneles cuánticos-mecánicos de electrones a través de un aislador delgado que separa capas ferromagnéticas.
• Torque Spin-transfer, donde se utiliza una corriente de electrones polarizados para controlar la dirección de magnetización de electrodos ferromagnéticos en el dispositivo.
• Los dispositivos lógicos de onda giratoria llevan información en la fase. La interferencia y la dispersión de onda de giro pueden realizar operaciones lógicas.

Dispositivos de lógica espintrónica

Los dispositivos de lógica de espín no volátiles para habilitar el escalado se están estudiando ampliamente. Se han propuesto dispositivos lógicos basados en torsión y transferencia de espín que utilizan espines e imanes para el procesamiento de información. Estos dispositivos forman parte de la hoja de ruta exploratoria del ITRS. Las aplicaciones de memoria de entrada lógica ya se encuentran en la etapa de desarrollo. Se puede encontrar un artículo de revisión de 2017 en Materials Today.

Se ha propuesto una teoría de circuito generalizada para los circuitos integrados espintrónicos 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 "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 magnetorresistiva de acceso aleatorio (MRAM) de 256 kb de primera generación basada en una sola unión de túnel magnético y un solo transistor que tiene un ciclo de lectura/escritura de menos de 50 nanosegundos. Desde entonces, Everspin ha desarrollado una versión de 4 Mb. Se están desarrollando dos técnicas MRAM de segunda generación: conmutación asistida térmicamente (TAS) y par de transferencia de espín (STT).

Otro diseño, la memoria de carreras, codifica la información en la dirección de la magnetización entre las paredes de dominio de un cable ferromagnético.

En 2012, se hizo que las hélices de espín persistentes de electrones sincronizados persistieran durante más de un nanosegundo, un aumento de 30 veces con respecto a esfuerzos anteriores y más que la duración del ciclo de reloj de un procesador moderno.

Dispositivos espintrónicos basados en semiconductores

Los materiales semiconductores dopados muestran ferromagnetismo diluido. En los últimos años, los óxidos magnéticos diluidos (DMO), incluidos los DMO basados en ZnO y los DMO basados en TiO2, han sido objeto de numerosas investigaciones experimentales y computacionales. Las fuentes de semiconductores ferromagnéticos sin óxido (como el arseniuro de galio dopado con manganeso (Ga,Mn)As), aumentan la resistencia de la interfaz con una barrera de túnel o mediante inyección de electrones calientes.

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

• Rotación Faraday/Kerr de fotones transmitidos/reflejados
• Análisis circular de polarización de electroluminiscencia
• Válvula de giro no local (adaptada del trabajo de Johnson y Silsbee con metales)
• Filtro de columna balística

Esta última técnica se utilizó para superar la falta de interacción espín-órbita y los problemas de materiales para lograr el transporte de espín en el silicio.

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

Aplicaciones

Las aplicaciones que utilizan inyección eléctrica polarizada por espín han demostrado una reducción del umbral de corriente y una salida de luz coherente polarizada circularmente controlable. 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 de subumbral más pronunciada.

Transistor de túnel magnético: el transistor de túnel magnético con una sola capa base tiene los siguientes terminales:

• Emitter (FM1): Inyecta electrones calientes poliarizados en la base.
• Base (FM2): La dispersión dependiente de la columna tiene lugar en la base. También sirve como filtro de giro.
• Coleccionista (GaAs): Una barrera Schottky se forma en la interfaz. Sólo recoge electrones que tienen suficiente energía para superar la barrera Schottky, y cuando los estados están disponibles en el semiconductor.

La magnetocorriente (MC) se da como:

MC=Ic,p− − Ic,apIc,ap{displaystyle MC={frac {I_{c,p}-I_{c,ap} {I_{c,ap}}

Y la relación de transferencia (TR) es

TR=ICIE{displaystyle TR={frac {I_{C} {I_{E}}}

MTT promete una fuente de electrones altamente polarizados por espín a temperatura ambiente.

Medios de almacenamiento

Los medios de almacenamiento antiferromagnéticos se han estudiado como una alternativa al ferromagnetismo, especialmente porque con material antiferromagnético las brocas 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, p. y 1 ↔ 'configuración de rotación alternativa horizontal'.).

Las principales ventajas del material antiferromagnético son:

• insensibilidad a las perturbaciones de los datos por campos estragos debido a la magnetización externa neta;
• no afecta a partículas cercanas, lo que implica que los elementos antiferromagnéticos no perturbarían magnéticamente sus elementos vecinos;
• tiempos de cambio más cortos (frecuencia de resonancia antiferromagnética está en el rango THz en comparación con frecuencia de resonancia ferromagnética GHz);
• amplia gama de materiales antiferromagnéticos disponibles, incluyendo aisladores, semiconductores, semimetales, metales y superconductores.

Se está investigando cómo leer y escribir información en la espintrónica antiferromagnética, ya que su magnetización neta cero dificulta esta tarea 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 antiferromagnetos, ya que los campos son ineficaces de todos modos. Los métodos de escritura que se están investigando actualmente en antiferromagnetos son a través del par de transferencia de espín y el par de rotación de la órbita del efecto Hall de espín y el efecto Rashba. También se está explorando la lectura de información en antiferromagnetos a través de efectos de magnetorresistencia, como la magnetorresistencia de túnel.