Francis en ¡Eureka!: El grafeno magnético que puede revolucionar la espintrónica

Dibujo20131011 Magnetic moment and Kondo resonance for individual TCNQ molecules

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.

El grafeno es el material de moda que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. Sus numerosas propiedades hacen que sus aplicaciones parezcan casi infinitas. Pero empecemos por el principio, ¿qué es el grafeno? La mina de una lápiz está hecha de grafito, un material que se puede exfoliar fácilmente. El grafito está compuesto por láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados entre sí, pero estas láminas están débilmente enlazadas unas con otras, de tal forma que al arrastrar la punta del lápiz sobre una hoja de papel se desprenden bloques de láminas de grafito que quedan adheridas al papel. El grafeno es una lámina de grafito de un solo átomo de grosor. El grafeno está formado por carbono puro, como el diamante, colocado en una estructura hexagonal similar a la del un panal de abejas. Konstantin Novoselov y André Geim, ambos de la Universidad de Manchester, recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2010 por desarrollar un nuevo procedimiento para fabricar grafeno de forma industrial mediante una técnica de exfoliación del grafito. El grafeno es el material de moda en nanociencia y nanotecnología por sus sorprendentes propiedades físicas y químicas. Es el material con la mayor conductividad térmica y eléctrica conocido, es el más delgado, el más ligero, el más duro, el más flexible… Muchas de las propiedades del grafeno son dignas del libro de los récords Guinnes.

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Hacia una memoria espintrónica unidimensional con un nanohilo de cobalto sobre un substrato de cobre

Almacenar información binaria en un solo átomo es uno de los objetivos de la espintrónica, el problema es cómo acceder a dicho átomo para leer y cambiar cada bit. Una cadena unidimensional de átomos, un nanohilo, podría ser una solución, pero hasta ahora ninguna propuesta es robusta a la presencia de impurezas e inestabilidades de carga lo que impide su uso práctico. Nader Zaki (Universidad de Columbia) y sus colegas han descubierto que en un nanohilo de átomos de cobalto sobre un substrato de cobre, a muy baja temperatura, los átomos de cobalto son acoplan en parejas, formando una cadena de dímeros robusta ante impurezas y capaz de sobrevivir a las inestabilidades de carga. Más aún, para sorpresa de los propios investigadores, la razón por la que se forman estos dímeros es la inestabilidad de carga o CDW (charge-density-wave) que induce una transición de fase en el nanohilo a un estado ferromagnético, lo que han demostrado comparando simulaciones por ordenador y datos experimentales obtenidos mediante un microscopio de efecto túnel de baja temperatura (LT-STM). La longitud del enlace que une dos átomos de cobalto en un dímero es de 2,0 ± 0,1 Å, un valor menor que la distancia entre cada dos átomos de cobre en el substrato, de 2,56 Å, y que la distancia entre dos átomos de cobalto en configuración triangular sobre el mismo substrato, de 2,50 Å. Los dímeros de cobalto son magnéticamente independientes entre sí, aunque no están electrónicamente aislados, por lo que los autores creen que sus nanohilos de cobalto “dimerizados” podrían permitir el desarrollo de memorias binarias unidimensionales en las que el espín de cada dímero almacenaría un bit y su estado se podría controlar aplicando corrientes eléctricas apropiadas; por supuesto, el desarrollo de estas memorias espintrónicas a baja temperatura requerirá avances futuros. El artículo técnico es Nader Zaki (Columbia University) et al., “Spin-exchange-induced dimerization of an atomic 1-D system,” arXiv:1208.0612, Subm. 2 Aug 2012.

Esta imagen del microscopio de efecto túnel (LT-STM) muestra la interacción de una impureza (una molécula de CO) con la cadena dimerizada de cobalto. Se observa claramente la inactividad de la cadena y la gran robustez de estos nanohilos ante la presencia de la impurezas. La “dimerización” de la cadena ha sido observada a 5 K pero se mantiene hasta temperaturas tan altas como 81 ± 4 K; los autores creen que hay una temperatura crítica alrededor de 91 K a partir de la cual se destruye el efecto y se instabiliza el nanohilo, como muestran las imágenes de abajo obtenidas mediante una técnica de substracción del substrato. La física de esta transición de fase todavía no se entiende en detalle y será objeto de futuros estudios específicos.

Publicado en Science: Puertas lógicas implementadas mediante espintrónica

Muchos creen que el futuro de la ley de Moore pasa por los avances en espintrónica. La idea es utilizar el espín de los electrones para implementar operaciones booleanas utilizando puertas lógicas (AND, OR, NOT) sin necesidad de mover los electrones a través de cables. Khajetoorians et al. publican en Science un método para implementar operaciones lógicas utilizando el espín de los electrones en átomos individuales sin que haya que mover dichos electrones entre átomos vecinos, basta aplicar un campo magnético externo controlable. Para la fabricación a escala atómica de estos dispositivos utilizan la tecnología del microscopio de efecto túnel, herramienta que también usan para la lectura de los estados de las puertas lógicas. Por ahora estas nuevas tecnologías están limitadas por el tamaño del circuito combinacional implementado y sólo se han logrado implementar circuitos muy sencillos. Sin embargo, según los autores, nada limita la escalabilidad de la idea. El artículo técnico es de Alexander Ako Khajetoorians, Jens Wiebe, Bruno Chilian, Roland Wiesendanger, “Realizing All-Spin–Based Logic Operations Atom by Atom,” Science 332: 1062-1064, 27 May 2011. Se hacen eco de dicho artículo Andreas Heinrich y Sebastian Loth, “Physics: A Logical Use for Atoms,” Perspective, Science 332: 1039-1040, 27 May 2011.

En las tecnologías microelectrónicas convencionales los bits de información están representados en la carga almacenada en condensadores y son procesados ​​por puertas lógicas basadas ​​en transistores. Cualquier otra tecnología que pretenda sustituir al silicio debe ofrecer ambas cosas, un mecanismo fácil, rápido y eficiente para almacenar la información y otro mecanismo similar para realizar las operaciones lógicas. La espintrónica ofrece una buena solución al primer problema: el almacenamiento de información en los espines de los electrones permite una escritura y lectura de la información de alta velocidad y con un consumo de energía reducido. Sin embargo, las soluciones espintrónicas al segundo problema, la implementación de puertas lógicas, todavía están en fase emergente. Por ello el artículo de Khajetoorians et al. es un importante paso hacia adelante en las tecnologías espintrónicas. Aún así, hay que recordar que la fabricación de este tipo de nanodispositivos es lenta y complicada ya que colocar uno a uno los átomos en un sustrato adecuado utilizando una punta de un microscopio de efecto túnel.

Cada átomo puede estar en dos estados diferentes |0> o |1> dependiendo de la orientación de su magnetización. Khajetoorians et al. han construido cadenas lineales de estos átomos (cadenas antiferromagnéticas, porque acarrean un espín) en las que los átomos actúan como las cuentas de un collar de perlas. Estas cadenas están conectadas a dos imanes controlables capaces de inyectar pulsos de campo magnético en la cadena de átomos. Estos imanes con forma triangular actúan como señales de entrada del dispositivo. En la figura que abre esta entrada tenéis una imagen de este dispositivo incluyendo su funcionamiento observado mediante un microscopio de efecto túnel. En la figura las dos entradas son α y β; en la entrada α el estado se cambia de 1 a 0, o de 0 a 1 aplicando sendos pulsos magnéticos de +1,75 T y de −1,75 T, resp.; en la entrada β el estado cambia de 1 a 0, o de 0 a 1 aplicando pulsos magnéticos de −0,4 T y +0,4 T, resp. En la figura se muestra la actuación de una puerta lógica tipo OR (una disyunción lógica); los informáticos e ingenieros electrónicos notarán que Heinrich y Loth han utilizado el símbolo de una puerta AND en lugar de una OR en su figura; yo no he querido arreglar este error y he copiado su figura en la parte superior de la mía como ellos lo han presentado. Os recuerdo a los demás la diferencia; en una puerta AND la tabla de verdad es 00→0, 01→0, 10→0, y 11→1, pero en una puerta OR es 00→0, 01→1, 10→1, y 11→1; la parte inferior de la figura que abre esta entrada está extraída del artículo de Khajetoorians et al. y muestra una puerta OR (pero no presentan el símbolo circuital correspondiente en su artículo).

En resumen, aunque muchos dirán que implementar una puerta OR o una puerta NOT, solamente, es algo “pobre” comparado con los miles de millones de puertas que se implementan en los circuitos microelectrónicos convencionales, ello no quita que estemos ante un gran trabajo técnico en espintrónica que muestra que es un campo emergente con un futuro muy prometedor. Quizás dentro de 20 años (extrapolando la ley de Moore) lleguemos al momento en el que la ley de Moore deje de ser válida pues representar información en algo más pequeño que un átomo parece inimaginable, ¿o no?