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El grafeno hace posible la espintrónica de baja dimensión a temperatura ambiente

Los investigadores de Graphene Flagship desarrollaron dispositivos espintrónicos basados en el grafeno que utilizan tanto la carga de electrones como el espín electrónico a temperatura ambiente. Mediante la demostración de la viabilidad del espín para puentear distancias de hasta varios micrómetros, los resultados abren nuevas oportunidades para integrar el procesamiento y el almacenamiento de información en un solo chip.

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Desde el inicio de su andadura, el programa Graphene Flagship contempló el potencial de los dispositivos espintrónicos fabricados con grafeno y materiales relacionados con el grafeno (GRM, por sus siglas en inglés). Investigadores de diferentes universidades demostraron satisfactoriamente que es factible manipular las propiedades del espín del grafeno de forma controlada a temperatura ambiente. Estos resultados alientan nuevas direcciones en el desarrollo de la computación cuántica y de dispositivos basados en el espín. «Dado que la miniaturización constituye el motor principal de la industria electrónica, el grafeno proporciona nuevas oportunidades para condensar operaciones basadas en el espín con elementos de memoria magnética en una única plataforma», señala Stephan Roche, profesor de investigación en la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA), que ha dirigido el paquete de trabajo dedicado a la Espintrónica de Graphene Flagship desde su puesta en marcha. Las imperfecciones del material ya no son las culpables El grafeno amplía el campo de la comunicación espintrónica entre dispositivos desde nanómetros hasta micrómetros con un menor consumo energético. Aunque las predicciones teóricas iniciales estimaban que el tiempo de vida de los espines sería aproximadamente de un microsegundo en el material, experimentos previos han demostrado que su tiempo de vida es, en el mejor de los casos, de unos pocos nanosegundos. Esta desconcertante contradicción llevó a considerar al principio que las impurezas y los defectos del material son los principales responsables de la relajación del espín. No obstante, los investigadores de Graphene Flagship han rebatido estos mecanismos que tradicionalmente se han esgrimido para explicar la relajación del espín y han propuesto varios mecanismos nuevos exclusivos para el grafeno. En particular, observaron que la velocidad a la que los espines se relajan en sistemas compuestos de grafeno y de dicalcogenuros de metales de transición (TMDC, por sus siglas en inglés) depende en gran medida de si están orientados hacia el interior o el exterior del plano del grafeno. «El grafeno combinado con los TMDC podría servir como filtro para el espín, ya que la transferencia de información de espín depende de la polarización inicial del espín de los electrones inyectados, lo que permite el desarrollo de nuevos conceptos de transistores de espín de baja potencia», explica el profesor Roche. Es importante destacar que los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente y que tienen una gran relevancia para la manipulación exógena de los espines electrónicos del grafeno. El interruptor definitivo Dado que el grafeno puede mantener la coherencia de la transferencia del espín a lo largo de distancias suficientemente largas, su integración con otro material laminado que exhiba un tiempo de vida del espín mucho menor puede favorecer la fabricación de un dispositivo similar a un transistor de efecto de campo de espín. Mediante la combinación de grafeno con disulfuro de molibdeno (MoS2), cuyo espín electrónico tiene un tiempo de vida de picosegundos, los investigadores de Graphene Flagship demostraron que es posible controlar hacia dónde se desplaza el espín usando un voltaje de compuerta. «Esta combinación de grafeno con otro material bidimensional delgado con propiedades espintrónicas contrapuestas permite la creación de un interruptor de espín», comenta el profesor Roche. Los investigadores han elegido el MoS2 debido al corto tiempo de vida de su espín resultante de su fuerte acoplamiento espín-órbita. Es más, esta combinación de materiales funcionó a temperatura ambiente. Aumento de las señales de espín Diversos estudios en investigaciones publicadas han revelado que el desajuste de la conductancia eléctrica constituye un factor fundamental que podría reducir sustancialmente la inyección de espines de materiales ferromagnéticos en semiconductores. El equipo de Graphene Flagship demostró que la eficiencia de la inyección y la detección de espines electrónicos en el grafeno podía mejorarse sustancialmente utilizando un sándwich de materiales, que consistía en un aislante de nitruro de boro situado entre la capa de grafeno y los electrodos de inyección y detección de espines ferromagnéticos. La polarización aumentó hasta en un 70 % con el voltaje en el dispositivo desarrollado, lo que puso en entredicho el consenso científico de que únicamente los materiales ferromagnéticos pueden influir en la polarización del espín. Sin embargo, se descubrió que la tunelización cuántica afectaba a la polarización del espín en los dispositivos. En particular, el espín puenteó una distancia de diez micrómetros en más de tres nanosegundos a temperatura ambiente. «El uso de grafeno y otros materiales bidimensionales para desarrollar memorias magnéticas basadas en el par de transferencia de espín de nueva generación (como STT-MRAM y SOT-MRAM) también es extremadamente atractivo, y ha estimulado al imec a tomar la iniciativa del consorcio y trabajar en su integración a gran escala en el ámbito de la fabricación de semiconductores», dice Kevin Garello, coordinador del paquete de trabajo e investigador del imec, que lidera la investigación de los conceptos emergentes de memoria magnética avanzada.

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