Físicos de la Universidad Nacional de Singapur han inventado un concepto que puede inducir y cuantificar directamente la división del espín en materiales bidimensionales. Al utilizar este concepto, lograron experimentalmente una gran capacidad de sintonización y un alto grado de polarización de espín en el grafeno. El resultado de esta investigación tiene el potencial de promover el desarrollo del campo de la electrónica de espín bidimensional y aplicarse a la electrónica de baja potencia.
Un desafío importante que enfrenta la electrónica moderna, especialmente dispositivos como computadoras personales y teléfonos inteligentes, es la generación de energía térmica cuando una corriente eléctrica pasa a través de un material, lo que hace que el material aumente su temperatura.
Una posible solución es utilizar espín en lugar de carga en circuitos lógicos. Dado que el calentamiento Joule se reduce o elimina, estos circuitos podrían, en principio, ofrecer un bajo consumo de energía y velocidades ultrarrápidas. Esto dio origen al campo emergente de la espintrónica.
El grafeno es un material 2D ideal para la espintrónica debido a su larga longitud de difusión de espín y su larga vida útil, incluso a temperatura ambiente. Aunque el grafeno en sí no tiene polaridad de espín, colocarlo cerca de un material magnético puede inducirlo a exhibir un comportamiento de división de espín. Sin embargo, actualmente existen dos desafíos importantes. Una es la falta de un método directo para determinar la energía de división del espín y la otra es que las características de espín y la capacidad de sintonización del grafeno son limitadas.
Avance en la espintrónica del grafeno
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Arido del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Singapur ha propuesto un concepto innovador para cuantificar directamente la energía de división del espín en el grafeno magnético utilizando el desplazamiento del sector de Landau. El cambio de sector de Landau es el cambio en la intersección al trazar un ajuste lineal de la frecuencia de oscilación versus el portador de carga, que es causado por la división de los niveles de energía de las partículas cargadas en un campo magnético. Se puede utilizar para estudiar las propiedades fundamentales de la materia.
Además, la energía de división del espín inducida se puede ajustar en un amplio rango mediante una técnica llamada enfriamiento de campo. La alta polarización de espín observada en el grafeno, junto con la capacidad de ajuste de su energía de división de espín, ofrece una vía prometedora para el desarrollo de espintrónica bidimensional para dispositivos electrónicos de baja potencia.
Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Advanced Materials.
Verificación experimental y soporte teórico.
Los investigadores realizaron una serie de experimentos para validar su método. Crearon la estructura de grafeno magnético apilando primero una sola capa de grafeno sobre el óxido aislante magnético Tm3Fe5O12 (TmIG). Esta estructura única les permitió cuantificar directamente el valor de la energía de división del espín de 132 meV en grafeno magnético utilizando el desplazamiento del sector de Landau.
Para confirmar aún más la relación directa entre el cambio del sector de Landau y la energía de división del espín, los investigadores realizaron experimentos de enfriamiento de campo para ajustar el grado de división del espín en el grafeno. También aplicaron tecnología de dicroísmo circular magnético de rayos X (dicroísmo circular magnético de rayos X) en la fuente de luz del sincrotrón de Singapur para revelar el origen de la polarización del espín.
"Nuestro trabajo resuelve una controversia de larga data en espintrónica bidimensional al proponer el concepto de utilizar el cambio del sector Landau para cuantificar directamente la división del espín en materiales magnéticos", dijo el Dr. Wu Junxiong, primer autor del artículo de investigación e investigador principal del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Singapur.
Para respaldar aún más sus hallazgos experimentales, los investigadores colaboraron con un equipo teórico dirigido por el profesor Qiao Zhenhua de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China para calcular la energía de división del espín utilizando primeros principios. Los resultados teóricos obtenidos son consistentes con los datos experimentales. Además, utilizaron el aprendizaje automático para ajustar datos experimentales basados en un modelo fenomenológico para obtener una comprensión más profunda de la sintonizabilidad de la energía de división del espín mediante enfriamiento de campo.
El profesor Ariando dijo: "Nuestro trabajo desarrolla una vía poderosa y única para generar, detectar y manipular espines de electrones en materiales atómicamente delgados. También demuestra la aplicación práctica de la inteligencia artificial en la ciencia de materiales. Con el rápido desarrollo y el gran interés en el campo del magnetismo inducido por apilamiento en imanes 2D y heteroestructuras de van der Waals atómicamente delgadas, creemos que nuestros resultados se pueden generalizar a una variedad de otros sistemas magnéticos 2D".
A partir de este estudio de prueba de concepto, el equipo planea explorar la manipulación de las corrientes de espín a temperatura ambiente. Su objetivo es aplicar los resultados de su investigación al desarrollo de circuitos lógicos de espín bidimensionales y dispositivos de detección/memoria magnética. La capacidad de regular eficazmente la polarización de espín de las corrientes sienta las bases para realizar transistores de efecto de campo de espín totalmente eléctricos, marcando el comienzo de una nueva era de dispositivos electrónicos de baja potencia y velocidad ultraalta.
Fuente compilada: ScitechDaily