La espintrónica se vuelve quiral

Sala limpia del Fraunhofer IPMS con instalaciones de 300 mm para investigación y desarrollo. © Fraunhofer IPMS / Sala limpia de 300 mm en Fraunhofer IPMS © Fraunhofer IPMS

Herramientas para la fabricación de capas delgadas en el MPI CPfS. © MPI CPfS / Herramientas de fabricación para películas delgadas en el MPI CPfS © MPI CPfS

Los componentes spintrónicos se basan en el uso del espín electrónico fundamental para la transmisión y almacenamiento de información. Su uso no requeriría corrientes de carga para su funcionamiento y conduciría a una mayor eficiencia energética con menor consumo de energía, mayor velocidad de procesamiento de datos y mejor integración de memoria y lógica. Sin embargo, se necesitan materiales adecuados para nuevas implementaciones spintrónicas. Su fabricación y análisis requieren métodos de vanguardia en nanotecnología. Por ello, investigadores del Instituto Max-Planck de Física Química de Sólidos y del Instituto Fraunhofer para Microsistemas Ópticos IPMS han iniciado un proyecto conjunto para investigar nuevos materiales para la spintrónica. El proyecto cuenta con el apoyo del Banco de Desarrollo de Sajonia.

Las tecnologías de procesamiento de información y almacenamiento de datos, por ejemplo, para memorias de ordenadores o unidades de disco en centros de datos, actualmente dependen del uso de corrientes de carga, que están naturalmente asociadas a pérdidas y alto consumo energético. Un concepto alternativo ofrece la tecnología CMOS moderna, que aprovecha el momento magnético de cada electrón, una propiedad cuántica llamada «espín». Esto permite una mayor velocidad de procesamiento de datos y una mejor integración de memoria y lógica con un menor consumo de energía en general. Para alcanzar estos objetivos, es fundamental encontrar nuevos materiales con las propiedades deseadas que permitan una alta eficiencia en las corrientes de espín. Aquí es donde entra en juego el proyecto «Spintrónica topológica: materiales compatibles con CMOS de la familia B20» del Instituto Max-Planck de Física Química de Sólidos y del Instituto Fraunhofer IPMS.

Los cristales quirales son una clase prometedora de materiales, cuyas posibilidades de uso en la electrónica basada en espín aún están en gran medida por explorar. En materiales quirales, los átomos que componen el cristal pueden estar dispuestos en dos configuraciones no equivalentes, que parecen imágenes especulares entre sí. Esto es comparable a nuestras manos derecha e izquierda, que no pueden superponerse si ambas palmas miran hacia abajo, y se denomina quiralidad. El proyecto tiene como objetivo cerrar la brecha entre la comprensión de la relación entre quiralidad y corrientes de espín y la evaluación del potencial de los materiales quirales para aplicaciones electrónicas.

El Instituto Max-Planck de Física Química de Sólidos y el Instituto Fraunhofer IPMS se han unido para investigar las propiedades de materiales quirales no magnéticos y avanzar más allá de lo conocido hasta ahora. La financiación del Banco de Desarrollo de Sajonia para el proyecto «Spintrónica topológica: materiales compatibles con CMOS de la familia B20» permite a los institutos de Dresde invertir en nuevos dispositivos para sus investigaciones y desarrollos modernos. Los socios aprovecharán la excelente infraestructura para el crecimiento de materiales para investigar nuevos materiales quirales con alta conversión de carga a espín. Los materiales se integrarán en la fabricación de componentes magnéticos de alta calidad para futuras aplicaciones spintrónicas.

El grupo de la profesora Claudia Felser en el Instituto Max-Planck de Física Química de Sólidos en Dresde es reconocido internacionalmente por su investigación en nuevos materiales cuánticos topológicos. «El espín y la carga de los electrones en cristales quirales abren un nuevo camino para una electrónica de alta velocidad, pero el camino desde el material hasta el componente es largo», dice la profesora Claudia Felser, directora del Instituto Max-Planck en Dresde, «y con nuestros colegas del Fraunhofer IPMS tenemos la oportunidad de acortar ese camino.» «Este proyecto combina nuestra experiencia en topología, en el crecimiento de películas delgadas epitaxiales de alta calidad y en nuestra experiencia en spintrónica, y nos permitirá descubrir nuevos materiales de la familia B20 con alta eficiencia en la generación de corrientes de espín», afirma el Dr. Anastasios Markou, líder del grupo de Felser.

«Esta asociación nos llevará al siguiente nivel. Con nuestros colegas del Instituto Max-Planck podemos trabajar con materiales que aún no están disponibles en el mundo CMOS», añade el Dr. Maik Wagner-Reetz, responsable de las actividades de spintrónica en el Fh IPMS. El Centro de Tecnologías Nanoelectrónicas del Fraunhofer IPMS desarrolla soluciones para procesos y componentes en la escala de obleas de 300 mm, para transferir resultados de la investigación básica a aplicaciones industriales. Entre sus competencias principales se encuentran la integración de nuevos materiales y la fabricación de componentes compatibles con CMOS en 300 mm.

Referencias

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[2] N. Kumar, S. N. Guin, K. Manna, C. Shekhar, y C. Felser, Chem. Rev. 121, 2780 (2021).
[3] N. B. M. Schröter, [...], y C. Felser, Science 369, 179 (2020).
[4] M. Yao, [...], y C. Felser, Nat. Commun. 11, 2033 (2020).