‘Física completamente nueva’ para la espintrónica de próxima generación

Nuestro mundo impulsado por los datos exige más: más capacidad, más eficiencia, más potencia informática. Para satisfacer la insaciable necesidad de velocidad electrónica de la sociedad, los físicos han estado impulsando el floreciente campo de la espintrónica.

La electrónica tradicional utiliza la carga de los electrones para codificar, almacenar y transmitir información. Los dispositivos espintrónicos utilizan tanto la carga como la orientación de espín de los electrones. Al asignar un valor a espín del electrón (arriba = 0 y abajo = 1), los dispositivos espintrónicos ofrecen plataformas ultrarrápidas y energéticamente eficientes.

Para desarrollar una espintrónica viable, los físicos deben comprender las propiedades cuánticas de los materiales. Una propiedad, conocida como par de giro, es crucial para la manipulación eléctrica de la magnetización que se requiere para la próxima generación de tecnologías de almacenamiento y procesamiento.

Investigadores de la Universidad de Utah y la Universidad de California, Irvine (UCI), han descubierto un nuevo tipo de par de torsión de giro-órbita. El estudiarpublicado en Nanotecnología de la naturaleza el 15 de enero de 2025, demuestra una nueva forma de manipular el giro y la magnetización a través de corrientes eléctricas, un fenómeno que han denominado par anómalo de Hall.

«Esta es una física completamente nueva, que por sí sola es interesante, pero también hay muchas nuevas aplicaciones potenciales que la acompañan», dijo Eric Montoya, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Utah y autor principal del estudio. estudiar. «Estos pares de giro autogenerados están especialmente calificados para nuevos tipos de computación como la computación neuromórfica, un sistema emergente que imita las redes del cerebro humano».

Salón de pares

Los electrones tienen campos magnéticos minúsculos que, como el planeta Tierra, son dipolares: algunos espines están orientados al norte («arriba») o al sur («abajo») o en algún punto intermedio. Al igual que los imanes, los polos opuestos se atraen mientras que los polos iguales se repelen. El par de orientación de espín se refiere a la velocidad a la que el electrón gira alrededor de un punto fijo.

En algunos materiales, la electricidad clasificará los electrones según su orientación de espín. La distribución de la orientación del espín, conocida como simetría, influirá en las propiedades del material, como el flujo direccional de un ferroimán. campo magnético.

El par anómalo de Hall está relacionado con el conocido efecto Hall anómalo, descubierto por Edwin Hall en 1881. El efecto Hall anómalo describe cómo los electrones se dispersan asimétricamente cuando pasan a través de un material magnético, lo que genera una corriente de carga que fluye 90 grados hacia el flujo de una corriente eléctrica externa. Resulta que ocurre un proceso análogo con el espín: cuando se aplica una corriente eléctrica externa a un material, una corriente de espín fluye 90 grados con respecto al flujo de corriente eléctrica con la orientación del espín a lo largo de la dirección de la magnetización.

«Todo se reduce realmente a la simetría. Los diferentes efectos Hall describen la simetría de la eficiencia con la que podemos controlar la orientación del espín en un material», dijo Montoya. «Se puede tener un efecto o todos los efectos en el mismo material. Como científicos de materiales, realmente podemos ajustar estas propiedades para lograr que los dispositivos hagan cosas diferentes».

Una tríada de pares para dispositivos espintrónicos

El par anómalo de Hall es un ejemplo de un concepto emergente en espintrónica, conocido como pares de órbita de espín autogenerados, que exhiben simetrías de par de espín únicas y mejor equipadas para soportar el futuro. dispositivos espintrónicos. Junto con el par de giro de Hall y el par de Hall planar recientemente identificado, también descubierto por un equipo que incluye a los coautores Montoya e Ilya Krivorotov, físico de la UCI, el par de Hall anómalo completa una tríada de pares de torsión de órbita de giro similares a los de Hall.

Debido a que la tríada de torque debería estar presente en todos los materiales espintrónicos conductores, los autores los han acuñado «torques Hall universales». Su universalidad brindará a los investigadores una poderosa herramienta para desarrollar dispositivos espintrónicos.

La espintrónica tradicional suele consistir en una capa no magnética intercalada entre dos ferromagnéticos. materialescomo en la memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM). Las MRAM de par de giro almacenan y manipulan datos inyectando una corriente polarizada de espín desde una capa magnética a una segunda capa magnética, lo que invierte la orientación de espín de la segunda capa magnética.

La orientación de giro «arriba» o «abajo» se puede asignar a los 0 y 1 utilizados para el almacenamiento de datos binarios. Los MRAM de torsión de giro pueden almacenar y acceder a datos de forma más rápida y eficiente que los MRAM tradicionales que dependen de campos magnéticos para invertir el flujo.

Los autores demuestran que en su dispositivo, la orientación del espín podría transferirse de un conductor ferromagnético a un material no magnético adyacente, eliminando la necesidad de una segunda capa ferromagnética. De hecho, los autores construyeron el primer prototipo espintrónico que explota el efecto anómalo del par Hall.

«Utilizamos un par de Hall anómalo para crear un dispositivo a nanoescala conocido como spin-esfuerzo de torsión oscilador. Este dispositivo puede imitar la funcionalidad de una neurona, pero es significativamente más pequeño y opera a velocidades más altas», dijo Krivorotov. «Nuestro siguiente paso es interconectar estos dispositivos en una red más grande, lo que nos permitirá explorar su potencial para realizar tareas neuromórficas, como como reconocimiento de imágenes.»