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H2020

SOCISS — Resultado resumido

Project ID: 703195
Financiado con arreglo a: H2020-EU.1.3.2.
País: España
Dominio: Investigación fundamental

Nuevos mecanismos de transporte de espín en metales

Investigadores financiados con fondos europeos desvelaron nuevos fenómenos intrigantes que tienen lugar en las interfaces metálicas y que se deben a la interacción entre los grados de libertad de la carga, el espín y la órbita del electrón. Estos hallazgos podrían encontrar aplicación en dispositivos espintrónicos de nueva generación.
Nuevos mecanismos de transporte de espín en metales
La manipulación del espín electrónico es una de las bases de la espintrónica en su búsqueda de circuitos electrónicos más pequeños y eficientes que los actuales. «Mantener la polarización del espín a lo largo del dispositivo electrónico es fundamental para poderlo desarrollar», explica el profesor Ángel Rubio, director del proyecto financiado con fondos europeos SOCISS. Es fundamental proteger la despolarización del espín provocada por distintos mecanismos de relajación para lograr su aplicación en dispositivos innovadores de nueva generación.

Una corriente de espín pura, sin carga

En la espintrónica, uno de los mecanismos principales que provoca que el espín electrónico pierda su capacidad para alinearse en una dirección dada es el movimiento orbital. «La ruptura de la simetría de inversión en la interfaz de heteroestructuras genera un acoplamiento espín-órbita intenso. Esta interacción intensa favorece la generación de corrientes de espín puras compuestas por electrones con espines opuestos moviéndose en direcciones opuestas. Las direcciones “arriba” y “abajo” del espín pueden emplearse para almacenar y procesar información en dispositivos espintrónicos», aclara el profesor Rubio. Pero tal y como explica acto seguido: «Los electrones no pueden mantener su dirección durante mucha distancia en regiones con un acoplamiento espín-órbita intenso».

Para sortear este inconveniente, fue preciso unir regiones de interfaz que muestren interacciones de espín-órbita enormes y débiles. Esto es fundamental para observar al detalle lo que ocurre en la interfaz entre las heteroestructuras.

Electrones que intercambian su espín

El estudio preciso del acoplamiento espín-órbita interfacial entre heteroestructuras dio lugar al descubrimiento de fenómenos peculiares inéditos. «Nos sorprendió descubrir que el acoplamiento espín-órbita en uniones metal con metal da lugar a lo que se denomina conversión espín a espín», indica el profesor Rubio. «Este efecto, también conocido como intercambio del espín, describe el modo en el que los electrones intercambian su polarización del espín con la dirección del campo eléctrico en presencia de un acoplamiento espín-órbita interfacial», aclaró.

Control del magnetismo a voluntad

Otro logro notable del proyecto de especial interés para futuras aplicaciones electrónicas fue la capacidad para controlar la polarización del espín mediante corrientes eléctricas. «Los elementos de memoria magnética como los de los discos duros almacenan datos digitales por medios magnéticos, pero la escritura rápida y precisa de estos mismos datos es enormemente difícil. La aplicación de una corriente eléctrica para activar y desactivar el magnetismo acelera enormemente el proceso de escritura y aumenta su eficiencia energética, todo lo que hace falta es un simple pulso de voltaje», expone el profesor Rubio.

El equipo de SOCISS adoptó un método balístico para calcular los mecanismos de conversión espín a espín y espín a carga que tienen lugar en las interfaces de unión entre metales. Estos cálculos no tienen en cuenta ningún tipo de defectos en el conjunto de las heteroestructuras.

También se lograron progresos importantes en la ampliación de las condiciones de frontera de Zaitsev, las cuales describen efectos de proximidad en heteroestructuras en casos en los que se muestra acoplamiento espín-órbita interfacial. Los resultados permitirán explicar todos los mecanismos de conversión del espín distintos provocados por el acoplamiento espín-órbita interfacial y mostrar con mayor detalle su dependencia del grosor de la unión.

De la escala atómica a la mesoescala

Uno de los objetivos más importante de SOCISS fue ofrecer una descripción multiescala de los fenómenos de transporte del espín provocados por interacciones entre el espín y la órbita. El nuevo modelo describe a la perfección todos los fenómenos de transporte del espín a escalas mesoscópicas. «Además, el empleo de técnicas de primeros principios nos permitió determinar el modo en el que las propiedades del material influyen en los mecanismos de espín», explica el profesor Rubio. La combinación de estos métodos genera una descripción detallada de los acoplamientos espín-órbita interfaciales a cualquier escala sin necesidad de emplear parámetros libres.

Los hallazgos del proyecto generan nuevas posibilidades para aprovechar la interacción espín-órbita para manipular los electrones en aplicaciones espintrónicas. El equipo de científicos continúa su trabajo en la materia y en paralelo disemina sus resultados en congresos, seminarios y talleres. El grupo al cargo del proyecto participó además en el programa LanAldi para fomentar su trabajo y hacerlo más accesible para estudiantes de secundaria.

Palabras clave

SOCISS, acoplamiento espín-órbita, metal, interfacial, espintrónica, transporte de espín, corriente de espín, conversión de espín a espín, conversión de espín a carga
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