Martes, 24 de mayo de 2016

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Espintrónica: el control del espín


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En 1959 el físico estadounidense Richard Feynman predijo en la reunión anual de la American Physical Society que en el futuro sería posible escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler. Aunque aún no hemos llegado a ese punto, Feynman no se equivocaba al predecir de qué forma tan vertiginosa iba a evolucionar el almacenamiento y lectura de la información, convirtiéndose su atrevido comentario en uno de los paradigmas de la Ciencia y Tecnología actuales. Para ello ha sido necesario progresar en el control de los materiales a escalas cada vez más pequeñas.

Nacimiento de la Nanotecnología 

La miniaturización de los dispositivos necesarios para el almacenamiento y lectura de la información hace que nos acerquemos cada vez más a la predicción de Feynman, habiendo nacido en la última década una nueva Ciencia llamada Nanotecnología que designa el control de los materiales en los que al menos una de sus dimensiones es del orden del nanómetro (10-9 m, equivalente a 4 ó 5 átomos puestos en fila).

Actualmente, en los discos duros de nuestros ordenadores se almacenan típicamente 50 Gbit/pulgada2 (es decir, 1010 bits por cada cm2 de espacio del disco). Cada bit no es sino una pequeña porción de un material magnético (una aleación de cobalto), cuya imanación puede apuntar en dos direcciones distintas, determinando que el bit sea un “1″ ó un “0″. Una cabeza lectora que vuela 20 nm por encima del disco duro debe ser capaz de detectar la dirección de esta imanación para poder así interpretar el bit como un “1″ ó un “0″. Para ello, el principal elemento de la cabeza lectora es un material magnetorresistivo gracias a su sensibilidad para detectar variaciones minúsculas del campo magnético creado por los bits magnéticos. El estado “1″ ó “0″ del bit queda reflejado en dos valores distintos de la resistencia eléctrica del elemento magnetorresistivo, efectuándose de este modo la lectura de la información.

Actualmente se usan como materiales magnetorresistivos en esta aplicación multicapas metálicas nanométricas hechas de sandwiches de capas magnéticas (Fe, Co, …) separadas por capas metálicas no magnéticas (Cr, Cu,…) y el efecto de magnetorresistencia se produce por la forma diferente en que los electrones sufren colisiones dependiendo de si todas las capas magnéticas tienen su imanación en la misma dirección entre sí o no (los campos de fuga de los bits son los que alteran la configuración de las direcciones de la imanación de las capas). Este fenómeno se basa en el hecho de que los electrones tienen un grado de libertad interno de origen mecano-cuántico llamado espín. Es como si los electrones pudiesen girar sobre sí mismos o bien en el sentido de las agujas de un reloj (espín arriba) o en el opuesto (espín abajo). Gracias a que en los materiales magnéticos hay un desequilibrio entre el número de electrones con espín arriba y espín abajo ocurre el fenómeno de magnetorresistencia en multicapas metálicas.

Descubrimiento de la espintrónica

El descubrimiento de la “magnetorresistencia gigante” en este tipo de multicapas metálicas tuvo lugar en Orsay (Francia) en el año 1988 por el grupo del Profesor Albert Fert. Podemos considerar este descubrimiento como el nacimiento de la espintrónica. En 1994 se empezaron a implementar estas multicapas magnetorresistivas en sensores de posición sin contacto en la industria de la automoción. En 1997 IBM las utilizó por primera vez en cabezas lectoras de discos duros de ordenador, permitiendo un incremento notable en la densidad de información almacenada magnéticamente que podía ser leída de modo eficiente.

En la imagen:  En las cabezas actuales que se usan en los ordenadores para leer los discos duros, la escritura de la información se produce generando un campo magnético por medio de un hilo conductor enrollado sobre un núcleo de hierro. La lectura se lleva a cabo mediante un sensor magnetorresistivo que detecta las direcciones del campo magnético creado por los bits.

Tras el éxito en la implementación de los materiales magnetorresistivos en sensores magnéticos y cabezas lectoras, se prosiguió en la búsqueda de nuevas aplicaciones y de nuevos materiales y dispositivos que pudiesen ofrecer incluso mejores prestaciones que las multicapas metálicas. Las multicapas metálicas están limitadas por el valor máximo de magnetorresistencia al que pueden dar lugar (inferior al 50%).

En 1995 se acuñó el término de magnetorresistencia colosal para designar el comportamiento de ciertos materiales (óxidos de manganeso con estructura perovsquita) cuya resistencia eléctrica variaba hasta varios órdenes de magnitud al aplicar un campo magnético. Nuestro grupo ha trabajado intensamente en este tipo de compuestos a lo largo de los últimos 10 años, realizando importantes contribuciones sobre el origen del fenómeno de magnetorresistencia colosal. Sin embargo, estos materiales no han resultado de gran utilidad en aplicaciones prácticas puesto que el fenómeno de magnetorresistencia colosal tiene lugar por debajo de temperatura ambiente y además se necesitan campos magnéticos muy intensos para producirla.

Otro tipo de dispositivo espintrónico de gran proyección en el que hemos estado trabajando es el llamado unión túnel magnética, que consiste en dos materiales magnéticos nanométricos (denominados en este dispositivo electrodos magnéticos) separados por una finísima capa nanométrica aislante (denominada barrera túnel). La conducción se realiza en este dispositivo por efecto túnel, que es un efecto mecano-cuántico gracias al cual los electrones atraviesan la barrera túnel, siendo ésta una región prohibida en energía por la Física clásica.

En los años 70 se propuso que este dispositivo podría dar lugar a fenómenos magnetorresistivos pero no fue hasta finales de los años 90 que se pudieron fabricar uniones túnel de modo reproducible y sistemático. Se observa experimentalmente que la resistencia puede cambiar más de un 50% cuando se pasa de una configuración magnética paralela de la imanación de los electrodos a una configuración antiparalela. 

En la imagen: Una unión túnel magnética es un emparedado de dos materiales magnéticos separados por una barrera aislante nanométrica. Dependiendo de si los materiales magnéticos tienen su imanación apuntando en el mismo sentido (configuración paralela, P) o en sentido opuesto (configuración antiparalela, AP) la resistencia eléctrica es diferente (RP y RAP) y se produce el fenómeno de magnetorresistencia túnel (MRT).

En la imagen: Una de las técnicas microscópicas más interesantes para caracterizar la calidad de una unión túnel es la microscopía electrónica de transmisión (en inglés TEM, Tunnelling Electron Microscopy), en la que se hace un corte transversal del sandwich y se visualizan las capas atómicas que lo forman. En esta fotografía tomada por R. Lyonnet y J.L. Maurice (Unité Mixte de Recherche, CNRS/Thomson-CSF, Orsay, Francia) puede apreciarse que en esta unión la barrera, formada por aproximadamente 5 capas de átomos, es plana y homogénea en espesor, características ambas necesarias para observar efectos magnetorresistivos.

El origen de esta magnetorresistencia túnel podemos encontrarlo en la diferencia entre la densidad de estados electrónicos de cada dirección de espín que se da en los materiales magnéticos. Durante mi estancia postdoctoral en el grupo del profesor Albert Fert trabajé en este tipo de dispositivos y descubrimos el importante papel desempeñado por la barrera túnel en fenómeno de la magnetorresistencia túnel.

En un futuro próximo nuestro grupo impulsará la investigación en uniones túnel magnéticas en Zaragoza en el marco de una colaboración entre el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón y el Instituto de Nanociencia de Aragón gracias a las nuevas infraestructuras para crecimiento de capas nanométricas y tallado a escalas micrométricas mediante litografía óptica adquiridas por este último.

En los últimos años hemos vivido una verdadera eclosión de las investigaciones en uniones túnel magnéticas por su gran potencial en la fabricación de memorias no volátiles. Estos tipos de memorias son muy interesantes para las RAM de los ordenadores, para cámaras digitales, para teléfonos móviles, etc. Al ser memorias no volátiles, no necesitan corriente eléctrica o batería de alimentación para retener la información almacenada. Esto significa en el caso de un ordenador que al encenderlo nos aparecería de modo instantáneo la información que existía en el momento de apagarlo…¡los apagones inoportunos ya no serían tan dramáticos!

 

En la imagen: Las memorias no volátiles que se está comenzando a fabricar consisten en multitud de pequeñas uniones túnel magnéticas interconectadas.

Componentes del grupo investigador

  • José María De Teresa Nogueras
  • Manuel Ricardo Ibarra García
  • Luis Morellón Alquézar
  • Pedro Algarabel Lafuente
  • Javier Blasco Carral
  • David Serrate Donoso

Fecha Aragón Investiga: 13/12/2004


Ficheros adjuntos


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