Un dispositivo basado en el grafeno incrementa en gran medida la señal de los espines

Una investigación publicada en Nature Communications describe el modo en que se obtuvieron espines electrónicos mediante la interacción entre las bicapas de grafeno y nitruro de boro empleadas en el dispositivo. El resultado es el incremento de la señal de los espines hasta ser cien veces mayor, un aumento lo bastante considerable como para materializarse en aplicaciones reales.

Inyección y detección de spines

El término «espín» se usa para describir la propiedad magnética de los electrones, que puede detectarse como un campo magnético orientado hacia arriba o hacia abajo. La espintrónica es un campo científico que pretende aprovechar este fenómeno. Una de las aplicaciones más comunes consiste en el almacenamiento, la transmisión y el tratamiento de información. Sin embargo, para utilizar espines electrónicos en un dispositivo se requiere controlar la proporción de electrones orientados hacia arriba o hacia abajo, lo que se conoce como polarización de los espines. No obstante, esto ha resultado extremadamente difícil de conseguir debido a una proporción escasa de electrones orientados.

La investigación expuesta en el documento y sustentada en la labor del proyecto financiado con fondos europeos GRAPHENECORE1 —que a su vez forma parte de la iniciativa emblemática GRAPHENE de la Unión Europea, que arrancó en 2013 y con una duración fijada en diez años— se basa en un estudio actualmente en curso centrado en el comportamiento de los espines en diferentes materiales. Tal y como afirma el investigador principal del proyecto, el profesor Bart van Wees de la Universidad de Groninga: «La polarización de los espines puede conseguirse haciendo que los electrones pasen por un material ferromagnético». Esto origina un exceso de uno de los tipos de espín. El estudio puso sus miras de manera específica en la inyección —incorporar electrones con espines polarizados a un dispositivo— y detección de espines.

El equipo consiguió demostrar que podía incrementar la eficiencia de la inyección y detección de espines electrónicos empleando materiales superpuestos: una capa de grafeno de un átomo de grosor sobre una capa aislante de nitruro de boro colocada sobre un semiconductor de silicio. Encima del grafeno se situaba una capa muy fina de nitruro de boro —de unos pocos átomos de grosor— para proteger los electrones del grafeno.

«El grafeno es un material muy adecuado para transportar espines, pero no permite manipularlos», explica el profesor. «Para inyectar espines en el grafeno hay que hacerlos pasar por un imán de hierro a través de un aislante de nitruro de boro por tunelización cuántica. Descubrimos que utilizando una capa de nitruro de boro con un grosor de dos átomos se alcanzaba una polarización de espines muy fuerte: hasta un 70 %, diez veces más de lo que conseguimos habitualmente». Con un incremento similar —diez veces superior— en lo que respecta a la detección de espines, la señal aumentó por un factor de cien por lo general.

Resultados inesperados y posibles aplicaciones

Un resultado inesperado de los dispositivos desarrollados consistió en descubrir que la polarización se puede incrementar gracias al voltaje, lo que contradice la creencia generalizada de que únicamente los materiales ferromagnéticos pueden polarizar los espines. Parece ser que dicha polarización se genera a partir de la tunelación cuántica utilizada para inyectar espines en el grafeno de los dispositivos.

Estos hallazgos ofrecen una miríada de posibilidades. Tal y como elucubra el profesor van Wees: «Actualmente resulta posible inyectar espines en el grafeno y medirlos fácilmente tras recorrer cierta distancia. Una posible aplicación consistiría en un detector de campos magnéticos que afectaría a la señal de los espines». Otra opción podría ser crear una puerta lógica o un transistor de espines.

Uno de los ámbitos clave en el que pone sus miras la iniciativa emblemática GRAPHENE es el desarrollo de técnicas para ampliar la escala de la producción de grafeno de alta calidad. También se integrarán los resultados derivados de los diversos proyectos para maximizar el flujo de trabajo y la calidad de los productos finales.

Para más información, consulte:
Sitio web del proyecto