Aprovechar el espín de electrones agrega una nueva dimensión a la codificación de datos.
¿Recuerdas los teléfonos plegables? Nuestros teléfonos inteligentes algún día pueden parecer obsoletos gracias a la espintrónica, un campo de investigación incipiente que promete revolucionar la forma en que nuestros dispositivos electrónicos envían y reciben señales.
En la mayoría de las tecnologías actuales, los datos se codifican como un cero o un uno, dependiendo de la cantidad de electrones que lleguen a un capacitor. Con la espintrónica, los datos también se transfieren según la dirección en la que giran estos electrones.
En un nuevo estudio que aparece esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, un equipo de investigadores de la Universidad de Duke y el Instituto Weizmann dirigido por Michael Therien, profesor de Química en Duke, informa un logro dar con la clave en el campo: el desarrollo de un conductor sistema que controla el espín de los electrones y transmite una corriente de espín a largas distancias, sin necesidad de las temperaturas ultrafrías requeridas por los típicos conductores de espín.
“Las estructuras que presentamos aquí son emocionantes porque definen nuevas estrategias para generar corrientes de espín de gran magnitud a temperatura ambiente”, dijo Chih-Hung Ko, primer autor del artículo y reciente doctorado en química de Duke.
Los electrones son como peonzas. Los electrones giratorios giran en el sentido de las agujas del reloj y los electrones giratorios giran en el sentido contrario a las agujas del reloj. Los electrones con espines opuestos pueden ocupar el mismo volumen, pero los electrones que giran en la misma dirección se repelen, como los imanes de la misma polaridad.
Al controlar la forma en que los electrones giran a lo largo de una corriente, los científicos pueden codificar una nueva capa de información en una señal eléctrica.
En lugar de simplemente encender y apagar los condensadores de forma binaria, los dispositivos espintrónicos también podrían enviar señales de acuerdo con el giro del electrón, donde el giro hacia arriba puede significar algo diferente al giro hacia abajo.
“Dado que el giro puede ser hacia arriba o hacia abajo, esa es una pieza de información binaria que no se recolecta en los dispositivos electrónicos convencionales”, dijo David Beratan, profesor de química y física en Duke y coautor del artículo.
Crédito: Ko et al.
ANP 4 de febrero de 2022
Las corrientes de los dispositivos ordinarios están compuestas por números iguales de electrones que giran hacia arriba y hacia abajo. A temperatura ambiente, es un desafío generar una corriente compuesta en gran parte por un solo espín. Los giros dan la vuelta, colapsan unos sobre otros, se salen de la línea y deforman la señal como un mal juego de teléfono.
Ahora, Therien y su equipo han desarrollado una estrategia para construir conductores moleculares que mantienen los electrones en línea, asegurando que todos ellos giren en armonía y propaguen la dirección de giro a largas distancias, lo que permite que las señales se transmitan con alta fidelidad, en temperatura ambiente.
“Se trata de la persistencia de esa polarización de espín”, dijo Beratan. “Estos giros se empujan, interactúan con las moléculas circundantes, con lo que sea que esté cerca, y eso puede voltearlos. Aquí persiste su orientación de espín, durante largos tiempos y largas distancias. Permanecen en la fila”.
Los electrones que giran en la dirección incorrecta pueden filtrarse fuera de un sistema utilizando una clase especial de moléculas llamadas moléculas quirales.
Las moléculas quirales son moléculas que se distinguen por tener una lateralidad. Al igual que nuestras manos derecha e izquierda, estas moléculas son imágenes especulares entre sí. Pueden ser diestros o zurdos, y su carácter manual sirve como filtro para los espines de los electrones. Al igual que sería expulsado de una cinta de correr si dejara de caminar en la dirección correcta, los electrones que giran en una dirección opuesta a la mano de la molécula se filtran.
Therien y su equipo habían desarrollado previamente estructuras llamadas cables moleculares: moléculas conectadas en cadena entre sí en forma de cable, que pueden propagar cargas eléctricas muy fácilmente. En este nuevo estudio, el equipo manipuló estos cables moleculares y agregó elementos quirales, obteniendo un sistema que no solo transmite carga a muy baja resistencia, sino que también transmite cargas del mismo espín, al obligar a todos los electrones a girar de la misma manera.
“Hemos integrado por primera vez las funciones de propagación de carga y polarización de espín en el mismo cable molecular”, dijo Therien.
Ron Naaman, profesor del Instituto Weizmann cuyo laboratorio construyó dispositivos basados en las moléculas de Therien, dijo que el transporte selectivo de espín habilitado por estos sistemas ofrece un tremendo potencial para codificar y transmitir información.
El hecho de que estos cables moleculares transmitan espines a temperatura ambiente los hace prometedores para el desarrollo de nuevas tecnologías.
“Transmitir selectivamente el espín a temperatura ambiente a largas distancias sin desfasarse abre oportunidades para una gama más amplia de dispositivos y puede ser importante para la ciencia de la información cuántica”, dijo Therien.
“Tener que enfriar su computadora con nitrógeno líquido no sería muy práctico”, dijo Beratan. “Si podemos procesar los giros a temperatura ambiente de manera efectiva, sería realmente un gran avance en su aplicación práctica”.
Referencia: “Twisted molecular wires polarize spin currents at room temperature” by Chih-Hung Ko, Qirong Zhu, Francesco Tassinari, George Bullard, Peng Zhang, David N. Beratan, Ron Naaman and Michael J. Therien, 1 February 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2116180119