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La espintrónica del silicio amplía el alcance de la tecnología actual de los semiconductores

La época del semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) a base de silicio se acerca a un punto a partir del cual será difícil cambiar de escala y no habrá lugar para posteriores mejoras en la disipación térmica y el rendimiento del dispositivo. En el marco de un proyecto financiado por la UE se aprovecharon las características del silicio —el caballo de batalla de la industria electrónica y de los semiconductores—, junto con las de otros materiales semiconductores, en aplicaciones espintrónicas que pueden cambiar el paradigma en cuanto a la escala.
La espintrónica del silicio amplía el alcance de la tecnología actual de los semiconductores
Los dispositivos electrónicos modernos funcionan a base de un flujo de corriente eléctrica constituida por electrones —con carga negativa—. Mientras que en los transistores actuales la presencia o ausencia de corriente se representa respectivamente con un «1» y un «0», en los dispositivos espintrónicos el «1» y el «0» se representan con un espín ascendente y un espín descendente. Además de la carga eléctrica, la espintrónica utiliza el espín, una propiedad intrínseca de los electrones, para alcanzar velocidades de transferencia de datos más elevadas y una capacidad de almacenamiento mayor.

El silicio, el grafeno, el germanio y los aislantes topológicos han demostrado ser buenos candidatos para las aplicaciones espintrónicas debido a su capacidad de transporte de espín a temperatura ambiente, cubriendo longitudes de difusión prolongadas. Estos materiales son capaces de retener su estado de espín electrónico (la orientación) a lo largo de varios micrómetros, lo cual es relevante de cara al almacenamiento de datos cuánticos y la computación cuántica. El proyecto SILICONSPIN (Spin transport in silicon nanodevices), financiado por la UE, arrojó nueva luz sobre los principios físicos fundamentales de la generación, manipulación y transporte de espín en dichos materiales y a través de barreras de túnel.

Los investigadores emplearon diversas técnicas sofisticadas para generar polarización del espín en muestras de silicio y de germanio a temperatura ambiente. El uso de electrodos ferromagnéticos para detectar el espín introdujo diferenciales considerables en la magnetorresistencia de túnel, un aumento de la durabilidad de los espines y una acumulación de los mismos.

Empleando un aislante bidimensional de nitruro de boro hexagonal (h-BN) como barrera de túnel en la unión de túnel magnética, el equipo inyectó una corriente polarizada en el espín desde un electrodo ferromagnético al silicio. Con ello se generaron corrientes circulantes tanto en sentido concurrente como opuesto.

Además de utilizar electrodos ferromagnéticos para inyectar la polarización del espín en el silicio, los investigadores utilizaron también el calentamiento del silicio y otros métodos dinámicos. De esta manera se registró por vez primera una acumulación de espines y un bombeo de espines en el silicio.

Otra línea de trabajo del proyecto SILICONSPIN fue la exploración del transporte de espín en el grafeno a temperatura ambiente. Depositando grafeno sobre sustratos de silicio o dióxido de silicio, el equipo constató longitudes de difusión prolongadas y tiempos de vida del espín del orden de varios nanosegundos. Una vez más, los investigadores utilizaron el nitruro de boro hexagonal (h-BN) como barrera de túnel en la unión de túnel magnética y registraron un nivel más elevado de polarización del espín.

EL uso de corrientes de espín electrónico para procesar datos se contempla como la panacea de la espintrónica de los semiconductores dado que da lugar a dispositivos de rendimiento superior y menor consumo energético, con lo que también se elimina la acumulación de calor. La generación y modulación de la corriente de espines en semiconductores podrá permitir fabricar dispositivos espintrónicos a medida, dotados de funcionalidades nuevas.

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Palabras clave

Silicio, espintrónica, semiconductor, grafeno, transporte de espín, SILICONSPIN
Número de registro: 190655 / Última actualización el: 2016-12-07
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