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Física

El grafeno en la nueva electrónica

Un material que puede constituir la base de un hipotético nanotransistor cuántico

Universidad de ManchesterLáminas de grafeno: delgado y duroUniversidad de Manchester

El grafeno, una lámina de carbono de un solo átomo de espesor y dotada de una estructura hexagonal, es una de las esperanzas para el desarrollo de una nueva electrónica, la espintrónica, que podrá desembocar en el surgimiento de computadoras cuánticas, menores aún y más rápidas. En ese nuevo mundo, la información magnética no sería transmitida solamente por la corriente eléctrica, tal como sucede en los ordenadores actuales, sino fundamentalmente mediante otra propiedad de los electrones: su espín. Como solamente existen dos valores posibles para el espín, ese estado del electrón puede ser útil para almacenar y propagar datos bajo la forma de bits. Pero la señal generada por la corriente de espín es extremadamente débil y tiende a propagarse en todas las direcciones, dos características que dificultan su control y su detección. De acuerdo con un trabajo reciente de físicos teóricos brasileños, estos obstáculos aparentemente pueden sortearse en el grafeno, un aspirante a ocupar el lugar del silicio en los circuitos integrados del futuro: el espín de sus electrones puede amplificarse y controlarse mediante un mecanismo que funciona como una lente, lo que genera la posibilidad de emplear el material como un nanotransistor cuántico.

Probamos matemáticamente que el grafeno puede actuar como una lente y  reorientar la corriente de espín de una fuente magnética hacia una determinada región en donde está ubicada una unidad receptora, dice el físico brasileño Mauro Ferreira, del Trinity College, de Dublin, quien participó en el estudio, publicado en la edición de mayo del Journal of Physics: Condensed Matter, junto con colegas de la Universidad Federal Fluminense (UFF). De esta manera, una parte de la información que se perdería puede recatarse. Nada de eso se ha concretado aún en laboratorio, son solamente borradores de trabajos teóricos.

Tras una serie de cálculos, los investigadores afirman que el grafeno, un material más resistente que el acero y mejor conductor de la electricidad que el cobre, puede comportarse como un transistor de espín cuando se lo expone a ciertas condiciones. Este artículo es el tercero del grupo de físicos que explora teóricamente las posibilidades de utilización de nanotubos de carbono y del grafeno en la espintrónica. Los dos estudios anteriores salieron publicados el año pasado en Physical Review B.

Para transformar el espín del grafeno en un medio capaz de transmitir información en un sistema cuántico, los brasileños trabajaron con un escenario bastante particular. La creación de una corriente de espín se simuló mediante la inserción de un objeto magnético en la arquitectura atómica en forma de colmena del grafeno, compuesta únicamente por carbonos. Imagínese un pequeño imán en movimiento rotativo en una lámina de grafeno, compara Ferreira. La presencia de este objeto extraño haría que el espín de los electrones de carbono vibre sucesivamente de la misma manera. La vibración del espín de un electrón se transmitiría entonces a su vecino y así sucesivamente. El problema es que una corriente de espín se propaga sin control en todas las direcciones del grafeno. Al igual que las ondas que crea una piedra arrojada a un lago, esta corriente se vuelve más débil a medida que se aleja de su origen, dice el investigador

Universidad de ManchesterLa estructura hexagonal del material: solamente átomos de carbonoUniversidad de Manchester

Pequeña pérdida de energía
El siguiente paso de la simulación consistió en dividir la lámina de grafeno en dos partes y alterar la densidad de la carga eléctrica de una de ellas. Este procedimiento generaría en ese segmento del grafeno un potencial de puerta, un camino hacia donde la corriente de espín se dirigiría y a través del cual se propagaría por el material. La corriente de espín no disipa calor en el grafeno y la pérdida de energía en un sistema así sería mínima. Un dispositivo que funcionase a través de esta corriente consumiría poquísima energía, afirma el físico Roberto Bechara Muniz, de la UFF, otro autor del trabajo. Además de canalizar la corriente de espín hacia una región específica del grafeno, y de ese modo amplificar su señal, la creación de la puerta funcionaría como una llave para encender y apagar el transistor.

Permitiría frenar o habilitar el paso de la corriente de espín. Nuestro trabajo es tan sólo un pequeño aporte en esta cuestión, pero demuestra que es posible controlar la corriente de espín en el grafeno, dice Muniz. José Carlos Egues, del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo, experto en espintrónica, quien no tomó parte en los trabajos de Ferreira y  Muniz, considera que los resultados son interesantes, pero sumamente preliminares. Se requieren más estudios para explorar la factibilidad de la propuesta y su relevancia en lo referente a aplicaciones en espintrónica, comenta Egues.

A efectos didácticos, se describe al espín como el movimiento que realiza un electrón al girar alrededor de su propio eje como un trompo. Existen dos formas de espín: una con rotación hacia arriba y otra con rotación hacia abajo. A decir verdad, este fenómeno es más complicado que eso y un electrón puede exhibir simultáneamente ambas variantes de espín. En términos prácticos, el desarrollo de una nueva electrónica depende del pleno dominio de la corriente de espín, como el que se tiene actualmente de la corriente eléctrica, y de contar con medios eficaces para controlar la conversión de un tipo de espín en otro.

Físicos de todo el mundo han intentado crear corrientes de espín en materiales semiconductores y también en el grafeno, un cristal bidimensional con un conjunto de propiedades singulares.

En un artículo publicado en la revista científica estadounidense Science del 15 de abril de este año, Andre Geim y Konstantin Novoselov, físicos de la Universidad de Manchester que ganaron el Nobel de Física de 2010 por sus trabajos con grafeno, mostraron indicios de que este material puede transmitir efectivamente una corriente de espín. Aplicaron un campo eléctrico entre dos electrodos ubicados a una millonésima parte de un metro de una hoja de ese material y midieron el voltaje en una región situada a 10 millonésimas de metro de los electrodos. Cuando el grafeno fue expuesto a un campo magnético, el voltaje se elevó. Esta variación, de acuerdo con los autores del estudio, es una evidencia de que existe una corriente de espín que pasa por el grafeno.

Artículo científico
GUIMARÃES, F.S.M. et al. Graphene as a non-magnetic espín current lens. Journal of Physics: Condensed Matter. v. 23, n. 17. 
4 may. 2011.

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