Investigadores explican el mecanismo tras la formación de texturas quirales de espín en grafeno
10.12.2024
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Textura de espín sobre una capa de grafeno. Imagen: Paolo Perna / Patricia Bondía. |
- Los investigadores diseñan un gran experimento con los sincrotrones Elettra, BESSY II y SOLEIL para encontrar pruebas del origen del fuerte acoplamiento espín-órbita inducido en el grafeno.
- Entender este mecanismo es un primer paso para diseñar nuevas memorias y dispositivos de almacenamiento de datos basados en la espintrónica.
- Esta textura de nudos cuánticos -skyrmiones- abre la puerta a la realización de nuevas tecnologías.
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Madrid, 10 de diciembre, 2024. La electrónica convencional se basa en el control de la diminuta carga eléctrica de los electrones que fluyen por los circuitos electrónicos. La espintrónica, por su parte, es una tecnología emergente que incorpora como variable otra de las propiedades de los electrones: el espín. El momento angular de espín es una propiedad cuántico-mecánica que ya se está aprovechando para tratar de crear flujos de información más rápidos y eficientes. Del mismo modo que la electrónica tradicional utiliza la carga para representar la información como ceros y unos, los dos estados de espín (arriba y abajo) pueden utilizarse para representar los mismos datos binarios en espintrónica.
Los circuitos espintrónicos pueden ser más rápidos y eficientes porque el cambio en el estado de espín ocurre en escalas de tiempo extremadamente cortas, por debajo del nanosegundo, lo que agiliza la transferencia de datos. Se necesita mucha menos energía para cambiar el estado de espín que para conmutar un dispositivo electrónico convencional, por lo que los dispositivos espintrónicos consumirían relativamente poca energía.
En la última década se han generado y estudiado diversos fenómenos relacionados con el espín, como son los skyrmiones, es decir texturas quirales de espín, todos ellos muy relevantes para el campo de la espintrónica.
Un huracán cuántico
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Cuando un electrón se mueve a través de un tipo especial de textura magnética llamada skyrmion, su momento magnético de espín se retuerce para ajustarse a la estructura de espín local del skyrmion (patrón en forma de cinta). Esta torsión cambia la dirección de desplazamiento del electrón y empuja al electrón y al skyrmion en direcciones opuestas. Nature 465, 880. |
Los huracanes, que se caracterizan por fuertes vientos que giran en espiral alrededor del ojo de la tormenta, pueden ser muy estables y recorrer miles de kilómetros. En el ámbito de la teoría de los campos cuánticos y la física del estado sólido, existen soluciones topológicas estables llamadas skyrmiones, con propiedades similares a las de las partículas y cierto parecido con los huracanes. Los skyrmiones fueron predichos en 1960 y observados experimentalmente por primera vez en 2010 en ciertos materiales magnéticos. En un skyrmion, la magnetización se retuerce suavemente de modo que es antiparalela entre el centro y los bordes de cada skyrmion. Este patrón resulta ser un nudo magnético estable gracias a la interacción entre espines vecinos, denominada Dzyaloshinskii–Moriya. Por tanto, los skyrmiones se clasifican como topológicamente estables, una característica extraída de la disciplina matemática de la topología que clasifica las configuraciones geométricas según propiedades como su índice (winding number), que es robusto frente a perturbaciones externas como campos magnéticos y eléctricos.
Un electrón que intente atravesar un skyrmion volteará su espín al atravesarlo. Enseguida se vio que esta propiedad se puede aprovechar para manipular estados de espín en dispositivos de almacenamiento de información. Esto abre la posibilidad de desarrollar computadoras cuánticas o sistemas de procesamiento de información que operen a velocidades significativamente superiores a las de los sistemas actuales.
La espinorbitrónica
En el grupo de investigación de EspinOrbitrónica en IMDEA Nanociencia, liderado por Paolo Perna, explora nuevos conceptos de transporte basados en el espín, en materiales magnéticos en los que el acoplamiento espín-órbita desempeña un papel importante. Es un paso más allá de la espintrónica: hacen uso de la interacción del espín con su órbita. “Para operar con espines, tenemos que ser capaces de controlarlos y manipularlos. Una de las formas más eficientes de manipular los espines de los electrones es explotar la interacción entre el espín y el movimiento orbital: el llamado acoplamiento espín-órbita. Esto conduce a nuevos fenómenos interesantes y consolida otro campo de la electrónica, llamado espinorbitrónica, con interesantes aplicaciones en memorias magneto-eléctricas y en computación neuromórfica”, apunta Paolo Perna.
El objetivo del grupo es explorar materiales con baja dimensionalidad, de unas pocas capas atómicas, cuya combinación dé lugar a nuevas propiedades físicas que permitan, por ejemplo, crear skyrmiones y manipularlos. En 2018, investigadores liderados por el Dr. Perna demostraron que los dispositivos compuestos de una capa atómica de grafeno combinado con ferroimanes y metales pesados cumplen con todos estos requisitos. El grafeno permite obtener una capa magnética homogénea, plana y protegida, que además es atómicamente perfecta. Adicionalmente, gracias al grafeno el dispositivo manifiesta una anisotropía magnética muy reforzada, debido a la peculiar interacción entre los distintos materiales, y una gran interacción Dzyaloshinskii–Moriya. Una fuerte anisotropía magnética es beneficiosa para aumentar la estabilidad de los datos almacenados en memorias magnéticas frente a fluctuaciones térmicas -queremos que la información escrita permanezca guardada por decenas de años. En particular, que estos dispositivos manifiesten una gran interacción Dzyaloshinskii–Moriya significa además que los skyrmiones puedan ser estabilizados. Este último hallazgo fue, en su día, un resultado sorprendente y pionero, que impulsó al grupo de EpinOrbitrónica a seguir investigando sobre el tema.
En el último trabajo del grupo de Espinorbitrónica, publicado en ACS Nano, los autores dilucidan el origen de la interacción de los espines con su entorno
Para establecer rutas directas hacia el desarrollo de dispositivos espintrónicos, es necesario conocer el origen fundamental de estas propiedades tan inusuales. En el último trabajo del grupo de Espinorbitrónica, publicado en ACS Nano, los autores dilucidan el origen de la interacción de los espines con su entorno (spin-orbit coupling). A través de experimentos de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo y espín (spin-ARPES) y teoría de densidad funcional (DFT) se estudiaron dispositivos de capas de grafeno y cobalto sobre el metal pesado iridio. Los autores observaron un desdoblamiento de la energía consistente con una interacción tipo “Rashba”, que es o bien la huella dactilar o bien el origen mismo de la interacción Dzyaloshinskii-Moriya que mantiene estables a los skyrmiones.
Esta interacción de tipo Rashba afecta directamente la disposición de espines en el movimiento de los electrones. El efecto Rashba se puede controlar mediante la aplicación de un campo eléctrico, lo cual permitiría ajustar la anisotropía magnética y la interacción Dzyaloshinskii-Moriya permitiendo la manipulación precisa del espín, y promoviendo configuraciones de espines complejas.
El grafeno aislado es un material ideal por sus excepcionales propiedades pero tiene una interacción spin-órbita insignificante. Combinado con otros materiales ferromagnéticos en una configuración de finas capas, el grafeno mejora su interacción espín-órbita y permite el control eléctrico de texturas de espín. Pero para responder a la pregunta de cómo el grafeno puede inducir una gran interacción Dzyaloshinskii-Moriya interfacial, en su último trabajo los investigadores diseñaron un experimento específico muy completo. El estudio involucró a los sincrotrones BESSY II de Berlín (Alemania) y SOLEIL (Francia) para buscar la evidencia del origen de esta fuerte interacción. Se encontró que para los dispositivos multicapas de grafeno-cobalto-iridio la gran interacción tipo Dzyaloshinskii-Moriya se manifiesta por una división de espín de los estados π del grafeno, que es consistente con una interacción espín-órbita tipo Rashba en la interfaz grafeno-cobalto y que es 2 órdenes de magnitud más grande de lo que se esperaba. Los investigadores hallaron que el efecto Rashba se desvanecía para espesores mayores de 10 láminas monoatómicas de cobalto, indicando que los estados están desacoplados electrónicamente del metal pesado iridio. En este caso, la interacción espin-órbita provenía del metal pesado iridio, era mediada por el cobalto y observada en el grafeno.
Tras estos prometedores resultados, el grupo de Espinorbitrónica de IMDEA Nanociencia sigue investigando cómo potenciar este gran efecto Rashba. En otros trabajos, gracias a la combinación del grafeno, cobalto y tierras raras, se descubrió la posibilidad modificar fuertemente las propiedades electrónicas del grafeno permitiendo crear bandas electrónicas planas y polarizadas en espín, descubrimientos que abre la puerta a la realización de nuevas tecnologías cuánticas y añadir otro ingrediente a la interacción entre espín y orbita: el retículo cristalino (trabajos publicados en las revistas Advanced Materials y Carbon). Todo ello para poder explorar funcionalidades a escala temporales ultracortas (trabajo publicado en la revista Nature Nanotechnology) y potenciar la conversión espín-carga mediante la ingeniería de las interfases (resultado por publicar).
El futuro de la tecnología de almacenamiento de datos
Los profesores Albert Fert y Peter Grünberg, reconocidos con el Premio Nobel de Física en 2007, descubrieron que era posible utilizar el espín de los electrones para aumentar la velocidad de lectura de la información de un disco duro y desarrollaron una tecnología revolucionaria para aprovechar esta característica. La tecnología de la magnetorresistencia gigante reduce drásticamente la resistencia, lo que acelera la transferencia de datos (IBM, 1997). Desde entonces, los investigadores han estado trabajando en la introducción de la tecnología de espíntrónica en la memoria de las computadoras, con el objetivo de reemplazar la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) basada en corriente eléctrica por una memoria magnetorresistiva (MRAM). Se prevé que estas memorias puedan ser reemplazadas en el futuro por las SOT-MRAM, memorias que explotan el torque espín-órbita y que ya comercializan algunas empresas como Samsumg, Everspin o Intel.
El grupo de SpinOrbitrónica en IMDEA Nanociencia trabaja en buscar mejoras para los dispositivos magnéticos de almacenamiento de datos, estudiando formas de amplificar el fenómeno de acoplamiento de espín-órbita. Los componentes espintrónicos desempeñarán un papel importante para garantizar que disfrutemos de un aumento constante del rendimiento y de un almacenamiento más rápido y de mayor capacidad con menor consumo y coste.
El trabajo es un resultado de la colaboración entre investigadores en el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA), Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAC-UAM), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Elettra Sincrotrone Trieste, Synchrotron SOLEIL y Forschungszentrum Jülich, y ha sido parcialmente financiado por el proyecto FLAG-ERA SOgraphMEM PCI2019-111867-2 coordinado por Paolo Perna, el proyecto de generación de conocimiento PID2021-122980OB-C52 y de consolidación investigadora CNS2022-136143 cuyos IP es Paolo Perna, y la acreditación Excelencia Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).
Glosario
- Espín: momento angular magnético de los electrones. A diferencia de la intuición clásica de una partícula girando sobre su propio eje, el espín no implica que el electrón esté realmente rotando. El espín es una propiedad fundamental que describe un tipo de momento angular asociado exclusivamente con partículas subatómicas, sin equivalente directo en la física clásica.
- Spintrónica: también conocida como electrónica de espín, es una rama de la física que explota, además de la carga, el estado de espín de los electrones para idear dispositivos de almacenamiento o transferencia de datos que sean más eficientes que los dispositivos electrónicos actuales.
- Anisotropía magnética: es la dependencia direccional de las propiedades magnéticas de un material.
- Skyrmion: configuración estable del campo magnético que da lugar a estructuras de tipo vórtices nanomagnéticos que se pueden desplazar manteniendo su forma con gran robustez.
- Interacción Dzyaloshinskii-Moriya: es una interacción entre los espines de electrones en ciertos materiales magnéticos que favorece una disposición de espines vecinos no colineal, es decir, que los espines se alineen de forma inclinada unos respecto a otros en lugar de estar paralelos o antiparalelos. Esta interacción es una consecuencia de la interacción espín-órbita, que acopla el espín de los electrones con su movimiento orbital en presencia de una estructura asimétrica.
- Efecto Rashba: fenómeno en el que los electrones experimentan una separación de espines debido a la interacción espín-órbita en materiales con una asimetría estructural. En otras palabras, cuando un electrón se mueve en un material sin simetría de inversión espacial (es decir, donde el entorno alrededor de los átomos no es idéntico en todas las direcciones), su espín se acopla con su momento lineal debido a la interacción espín-órbita, causando que los electrones de espines opuestos se desplacen en direcciones diferentes. Esto se observa, por ejemplo, en superficies de materiales y en interfaces donde existe un campo eléctrico perpendicular al movimiento de los electrones. El efecto Rashba surge cuando existe un campo eléctrico externo o interno (por ejemplo, en una interfaz) que rompe la simetría espacial del sistema. Mientras que el efecto Rashba afecta la disposición de espines en el movimiento de los electrones, la interacción Dzyaloshinskii-Moriya establece la alineación preferida entre espines vecinos.
Referencia:
Beatriz Muñiz Cano, Adrián Gudín, Jaime Sánchez-Barriga, Oliver Clark, Alberto Anadón, Jose Manuel Díez, Pablo Olleros-Rodríguez, Fernando Ajejas, Iciar Arnay, Matteo Jugovac, Julien Rault, Patrick Le Fèvre, François Bertran, Donya Mazhjoo, Gustav Bihlmayer, Oliver Rader, Stefan Blügel, Rodolfo Miranda, Julio Camarero, Miguel Angel Valbuena, and Paolo Perna. Rashba-like Spin Textures in Graphene Promoted by Ferromagnet-Mediated Electronic Hybridization with a Heavy Metal. ACS Nano 2024 18 (24), 15716-15728. DOI: 10.1021/acsnano.4c02154
https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3744
Contacto:
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Fuente: IMDEA Nanociencia.
El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.
Información relacionada:
https://nanociencia.imdea.org/home-en/news/item/stable-skyrmions-in-graphene-based-epitaxial-trilayers
https://phys.org/news/2024-09-analysis-heterostructures-spintronics-desired-quantum.html