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Un futuro brillante para la espintrónica
El deseo de construir dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más baratos ha llevado a varios investigadores a intentar usar el giro de un electrón en transistores. Estos transistores espintrónicos podrían ser de alta eficiencia energética y realizar más cálculos que los transistores tradicionales en un espacio más pequeño. Además, en aplicaciones optoelectrónicas, los láseres y los diodos emisores de luz que aprovechan el giro de los electrones podrían aumentar la capacidad de transporte de datos de la luz.
Pero uno de los obstáculos clave en este campo emergente es que los materiales magnéticos y semiconductores necesarios para fabricar un dispositivo espintrónico son notoriamente incompatibles.
Ahora, investigadores de la Universidad de Ohio y la Universidad Estatal de Ohio han desarrollado un sistema de semiconductores magnéticos que, según las pruebas iniciales, parece que podría ser un avance. Arthur Smith , profesor de física en la Universidad de Ohio, y sus colegas han cultivado con éxito galio manganeso, un metal magnético, en nitruro de galio, un semiconductor común que se utiliza para fabricar láseres azules y LED, y para amplificar señales de radiofrecuencia.
Los investigadores dicen que el espaciado de los átomos en las capas de material es una coincidencia casi ideal, creando una interfaz suave entre las capas y, por lo tanto, aumentando las posibilidades de producir un dispositivo espintrónico funcional. Sin una interfaz limpia, dice Smith, cuando los electrones viajan a través de la barrera entre el metal y el semiconductor, pueden perder su giro original, arruinando el dispositivo. Además, su nuevo sistema mantiene sus propiedades magnéticas a temperatura ambiente, dice Smith. Muchos materiales espintrónicos potenciales funcionan bien solo a temperaturas extremadamente frías, aunque los desarrollos recientes han producido algunos materiales a temperatura ambiente (ver Un nuevo giro en la informática).
Aunque se necesitan más pruebas para confirmar que los electrones mantendrán sus características de giro mientras viajan del metal al semiconductor, Smith dice que estas primeras pruebas son alentadoras. Creemos que hay una buena posibilidad de que funcione bastante bien, dice.
Los sistemas electrónicos que utilizan el espín de un electrón, una propiedad de la mecánica cuántica que se presenta en dos variedades: hacia arriba o hacia abajo, funcionarían de manera similar a los transistores actuales, pero tienen varias ventajas. Actualmente, la corriente eléctrica por sí sola es responsable de las funciones lógicas en los circuitos. La corriente que fluye a través de un transistor representa un 1; la ausencia de corriente, un 0. Si el espín de un electrón pudiera controlarse, un electrón de espín ascendente podría representar un 1 y descender un 0.
A diferencia de la corriente eléctrica, el giro se puede mantener incluso si la energía está apagada, y un circuito espintrónico usaría menos energía porque no sería necesario aplicar una corriente constantemente. Esta es la razón por la que empresas como Freescale Semiconductor están explorando la memoria de estado sólido basada en espines (consulte Un mejor chip de memoria).
Una segunda ventaja es que el uso de espín puede aumentar aún más la capacidad de transmisión y almacenamiento de información de los electrones, lo que hace que los microprocesadores funcionen más rápido.
Smith dice que, sin embargo, las aplicaciones electrónicas podrían estar en un futuro lejano para su sistema; en cambio, podría ser más adecuado para aplicaciones optoelectrónicas, como láseres y LED.
Específicamente, explica, el espín de los electrones en un láser semiconductor puede afectar los fotones emitidos por estos dispositivos: un electrón con un cierto espín puede crear un fotón con un espín correspondiente, dando como resultado luz polarizada. La polarización, la orientación general de las ondas de luz, podría aprovecharse para agregar otra capa de datos a la luz utilizada en las telecomunicaciones. Actualmente, la información se codifica ajustando la frecuencia y la fase de la luz; Por tanto, la codificación de polarización podría incrementar la capacidad de las líneas ópticas.
Los nuevos materiales de los investigadores de Ohio tienen buenas propiedades y, por lo tanto, el sistema podría ser un candidato para aplicaciones ópticas, dice Kannan Krishnan , profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Washington en Seattle. Si bien el grupo no ha construido dispositivos reales, dice que es muy prometedor.
Chris Palmstrom, profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota, dice que el trabajo es el primero en cultivar material magnético en nitruro de galio. Aún así, dice, los investigadores tienen que demostrar que pueden hacer algo con él.
Demostrar que el sistema funcionará en un dispositivo real es el siguiente paso para los investigadores. Smith dice que lo más probable es que prueben sus propiedades de emisión de luz para determinar qué tan bien se traduce el giro de los electrones en el material magnético en luz polarizada.