Espintrónica: nueva electrónica gracias al helio

El término espín es el término elegido en la década de 1920 para designar una propiedad cuántica intrínseca de una partícula elemental. Una propiedad algo abstracta, ya que hay muchas cosas en la física cuántica. Por tanto, la rotación no se traduce en movimiento rotacional en el sentido en que se entiende en la mecánica clásica, en la vida cotidiana. Pero está igualmente relacionado con el momento angular específico de la partícula y, por lo tanto, representa las propiedades de su rotación. Y cuando los físicos hablan de polarización de espín, se refieren principalmente al grado en que el espín en cuestión está alineado con una dirección particular.

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Investigadores de la Universidad de St Andrews (Reino Unido) muestran ahora cómo el helio puede afectar la polarización de los electrones. El descubrimiento es importante porque la capacidad de caracterizar y controlar la polarización de espín de los electrones es una de las claves del campo conocido como espintrónica, una nueva electrónica que ya no depende principalmente de la carga eléctrica de un electrón. y de su desplazamiento, sino más bien de sus propiedades magnéticas y de rotación. Los científicos creen que la electrónica x es una tecnología que podría revolucionar la transmisión y el almacenamiento de datos y conducir al diseño de nuevos procesadores de computadora.

La idea del posible efecto del helio en la polarización de espín de los electrones les llegó a los investigadores por el accidente de un estudiante de doctorado. trató de reproducir utilizando un novedoso microscopio de efecto túnel (STM, por microscopio de efecto túnel), la imagen obtenida previamente por colegas de la disposición magnética en una muestra de telururo de hierro. Nunca funcionó.

defecto y descubrimiento

Sin embargo, este tipo de imagen no es la más difícil de obtener. Es suficiente acercar la punta del dispositivo lo suficiente, entendiendo algo como una mil millonésima parte de un metro, a la superficie de la muestra. Luego, los electrones comienzan a “saltar” entre este punto y la muestra. Luego mueva la punta sobre la superficie y podrá obtener una imagen a escala atómica. Usando una punta magnética, el STM, de acuerdo con el mismo principio, devuelve una imagen de la disposición magnética de la muestra.

Ante las dificultades a las que se enfrentaba el estudiante de doctorado, los investigadores pronto sospecharon un defecto en el microscopio de efecto túnel. De hecho, observaron una fuga de helio líquido con el objetivo de enfriar el experimento. Una fuga hizo que el helio líquido ingresara directamente a la cámara de medición. Los físicos arreglaron el defecto. Pero para asegurarse realmente de que el problema era el helio, procedieron a inyectarlo intencionalmente en el probador del STM. Todavía simplemente se arriesgan a destruir la punta de su herramienta. Porque los altos voltajes requeridos para controlar su posición pueden provocar descargas que “quemarán” el punto. Afortunadamente, eso no sucedió. Por otro lado, los investigadores pudieron confirmar que la inyección de helio hizo que el STM fuera completamente incapaz de detectar el orden magnético.

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Al variar el voltaje aplicado entre la punta del microscopio de efecto túnel y su muestra, los físicos pudieron expulsar átomos de helio desde donde parecían estar atrapados. Entre el borde y la muestra, concretamente. Sin embargo, este voltaje depende de la interacción magnética específicamente presente entre la punta y la muestra. Al medirlo con precisión, los investigadores pudieron llegar a un mapa real de las interacciones de intercambio magnético y la fuerza magnética involucrada.

microscopio de efecto túnel

© Naeblys / Shutterstock

El principio de un microscopio de efecto túnel que permite ver moléculas y átomos: la punta (sonda STM) sondea la superficie de la muestra y la información útil es proporcionada por una corriente de túnel creada en la interfaz por el movimiento de electrones libres que “saltan” desde el superficie.

Exámenes de seguimiento

Estos experimentos permitieron a los físicos de la Universidad de St Andrews demostrar que aplicando diferentes voltajes a la muestra, y por lo tanto al helio, era posible controlar la polarización de espín de la corriente del túnel. que es creado por electrones que “saltan” entre la punta del STM y la muestra. Este método podría conducir al desarrollo de nuevos dispositivos espintrónicos. Pero aún necesita más pruebas.

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Los investigadores ya están evocando su deseo de probarlo mediante el estudio de materiales cuánticos exóticos (sistemas magnéticos frustrados, por ejemplo, en los que compiten diferentes interacciones magnéticas) con fases magnéticas complejas. Por lo general, estos últimos son dieléctricos y, por lo tanto, no se pueden observar directamente con un microscopio de efecto túnel. Para solucionar el problema, los físicos planean cultivar capas de estos materiales exóticos en un sustrato metálico para que los electrones puedan pasar a través de la capa aislante. Al aplicar una capa de helio a la superficie aislante, esperan poder discernir el magnetismo cuántico que de otro modo permanecería indetectable.

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