El transporte de espín en el grafeno, más cerca sus aplicaciones prácticas

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  • 15/01/2018

Nanotecnología

El hallazgo de una marcada anisotropía de espín en el grafeno allana el camino hacia la fabricación de nuevos dispositivos espintrónicos.

Physical Review Letters, Nano Letters y Nature Physics

La combinación de una capa de dicalcogenuro de molibdeno o wolframio (rosa y amarillo) y una capa de grafeno (azul) permite controlar la propagación de electrones en el grafeno en fuinción de su espín. [Dámaso Torres, ICN2]

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En los últimos años, el material bidimensional grafeno —formado por una sola capa de átomos de carbono— y su versión enrollada, los nanotubos de carbono, han dado lugar a una avalancha de publicaciones debido a sus insólitas propiedades electrónicas, térmicas, ópticas y mecánicas. ¿Cuál es el origen físico de estas características? ¿Qué aplicaciones permiten? Este monográfico digital (en PDF) te ofrece una selección de los mejores artículos publicados en Investigación y Ciencia sobre dos alótropos del carbono llamados a perfilar el futuro de la microelectrónica, la nanotecnología y la ciencia de materiales.

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Graphene Flagship es un macroproyecto europeo dedicado a desarrollar nuevas técnicas basadas en el grafeno (el alótropo del carbono de un solo átomo de espesor) y otros materiales relacionados. Ahora, tres trabajos de este consorcio han permitido predecir y demostrar que, al combinar el grafeno con otros materiales, es posible alterar la propagación de los electrones en función de la orientación de su espín, un hallazgo que promete nuevas aplicaciones en espintrónica. Los resultados han aparecido publicados de manera casi simultánea en Physical Review Letters, Nano Letters y Nature Physics.

La espintrónica es una generalización de la electrónica basada en la manipulación del espín del electrón (el momento angular intrínseco de esta partícula, sin equivalente en la física clásica). Reviste particular interés en computación cuántica, así como para diseñar nuevos dispositivos de memoria más rápidos y eficientes. Pero, para ello, resulta esencial poder controlar la manera en que se propagan los electrones cuyo espín apunta en una dirección determinada.

En los dispositivos basados en grafeno, el espín de un electrón puede ser inyectado fácilmente tanto en la dirección paralela como en la perpendicular al plano de la capa. Los nuevos trabajos han demostrado que, al combinar una capa de grafeno con otra de dicalcogenuros de metales de transición (DCMT, materiales como el disulfuro de molibdeno o el disulfuro de tungsteno), el conjunto resultante actúa como un «filtro» para el espín de los electrones en función de su orientación.

«Una estructura de grafeno y DCMT actúa como un filtro de espín con una transmisión determinada por la orientación de los espines que llegan, lo que permite detectar pequeños cambios de orientación», asegura Sergio O. Valenzuela, investigador ICREA en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y autor de los resultados experimentales publicados en Nature Physics. La predicción teórica y la rápida verificación experimental de este fenómeno ha sido posible gracias a una colaboración entre grupos de la Universidad de Groninga, la de Ratisbona y el ICN2.

En concreto, debido a la interacción entre capas, el proceso conocido como «relajación de espín» muestra grandes diferencias dependiendo de si el espín del electrón se orienta paralelo o perpendicular al plano del grafeno. La relajación de espín es el proceso por el que el espín de un electrón pierde su polarización inicial y se torna aleatorio, lo que conlleva la pérdida de la señal asociada al espín. El nuevo resultado abre así la puerta a controlar el tiempo de vida medio de las diferentes orientaciones del espín en el grafeno, una propiedad clave en el diseño de dispositivos espintrónicos y sus posibles aplicaciones. 

Fuente: Graphene Flagship

Referencias: «Strongly anisotropic spin relaxation in graphene–transition metal dichalcogenide heterostructures at room temperature», L. Antonio Benítez et al. en Nature Physics, 1745-2481, 4 de diciembre de 2017; «Large proximity-induced spin lifetime anisotropy in transition-metal dichalcogenide/graphene heterostructures», T. S. Ghiasi et al. en Nano Letters, vol. 17, págs. 7528-7532, 27 de noviembre de 2017; «Giant spin lifetime anisotropy in araphene induced by proximity effects», A. W. Cummings et al. en Physical Review Letters, vol. 119, 206601, 14 de noviembre 2017.