Transferencia de giro

El fenómeno de transferencia de espín , o par de transferencia de espín , ocurre cuando una corriente polarizada de espín pasa a través de un material magnético. Esta interacción da como resultado que una pareja se ejerza sobre la magnetización de este sólido. De esta forma es posible actuar sobre la magnetización sin utilizar un campo magnético. Este fenómeno fue predicho teóricamente por primera vez de forma independiente por L. Berger (Canergie Mellon U., EE. UU.) Y J. Slonczewski (IBM Yorktown Heights) en 1996, y luego lo demostró experimentalmente Sun en pilas magnéticas nanoestructuradas en forma de pilares. Con la magnetorresistencia gigante , la transferencia de espín constituye los bloques de construcción esenciales de la espintrónica .

Introducción

La transferencia de espín es un fenómeno en la física de la materia condensada, que involucra las propiedades de transporte de electrones en materiales magnéticos. La realización práctica de dispositivos experimentales capaces de demostrarlo requiere las más modernas técnicas de nanofabricación, en este caso la de la industria microelectrónica. Como tal, se ha beneficiado de los numerosos esfuerzos invertidos por los fabricantes de memorias electrónicas para diseñar componentes radicalmente nuevos, en particular los discos duros de alta densidad y MRAM de última generación , ambos basados ​​en el fenómeno de la magneto-resistencia, fenómeno relacionado con el que debería no se confunda.

Dado que se trata de un fenómeno de interfaz, la transferencia de espín solo tiene la intensidad suficiente para ser detectada en capas delgadas de espesor nanométrico.

Histórico

Las principales fechas

Contexto

Los laboratorios de la empresa IBM están históricamente muy implicados en la investigación sobre magnetismo. Desde la década de 1950, los ingenieros diseñaron memorias de núcleo magnético. Luego inventaron las memorias de burbujas, utilizando el desplazamiento de paredes de dominios magnéticos. Innovaciones sin mucho éxito comercial. La aplicación de magnetorresistencia gigante a las cabezas lectoras de los discos duros de las computadoras, por otro lado, será una revolución tecnológica e industrial impresionante. Las capacidades aumentan exponencialmente, verificación implacable de la Ley de Moore. Desde entonces, Hitachi GST se ha hecho cargo del negocio de IBM. Pero el conocimiento científico ha permitido a IBM estar a la vanguardia en el estudio de la transferencia de espín, gracias al trabajo fundador del teórico JC Slonczewski, y al dominio de la nanofabricación de SPP Parkin, por ejemplo.

Desde entonces, los grandes industriales (IBM, Sony, Freescale) han avanzado tanto como los laboratorios académicos. Tenga en cuenta que Francia está particularmente a la vanguardia en esta área, que es la extensión lógica de la RMG. El premio Nobel de Albert Fert en 2007 también dedicó este descubrimiento realizado en Orsay. Los laboratorios de CNRS-Thalès e IEF en París y CEA-Spintec en Grenoble son los más activos. En Estados Unidos podemos citar NIST (Boulder, Colorado) y Cornell University.

Descripción teórica

Magnetismo y transporte electrónico en sólidos

Los conceptos fundamentales necesarios para comprender la transferencia de espín son:

Estas definiciones muestran claramente que la transferencia de espín es el resultado estadístico de un fenómeno cuántico.

En una sola capa magnética

La transferencia de giro es esencialmente un fenómeno de interfaz. Consideremos el caso más simple, aquel en el que una corriente eléctrica busca penetrar en un material magnético magnetizado.

ST monocapa.JPG

La transferencia de espín es el resultado de un movimiento de cada espín aislado durante su movimiento y de un efecto estadístico sobre el conjunto de espines de la corriente que cruza la interfaz.

En una unión metálica

¿Qué entendemos por unión metálica? Es una pila de capas delgadas formadas por dos capas magnéticas separadas por una capa no magnética muy delgada (a menudo llamada espaciador).

ST dos capas.JPG

En un cruce de túnel

El principio es idéntico al caso de las uniones metálicas. Una de las capas magnéticas sirve como polarizador para la corriente de electrones y la segunda capa sirve como analizador. Sin embargo, en un cruce de túnel, el espaciador es una barrera aislante y el transporte se rige por el efecto túnel. La física en la interfaz barrera / capa libre es significativamente diferente de la involucrada en las uniones totalmente metálicas.

Nanopilares

Es la geometría preferida para resaltar la transferencia de giro. Cuando la pila de capas se configura en forma de pilar, la magnetización de las capas magnéticas tiene dos orientaciones privilegiadas según la forma del pilar: es un sistema biestable. El estado del sistema se puede leer a través de la magnetorresistencia. Entonces, cualquier cambio en la orientación de la magnetización es fácilmente detectable.

Dos tipos de dispositivos nanométricos para demostrar la transferencia de espín.

Dadas las convenciones de signos, el diagrama de campo / fase actual se muestra en la figura (se incluirá).

Nanopilar grabado en multicapa magnética.

Aplicaciones

Ventajas y desventajas

El spin transfer aún no se ha comercializado, salvo en forma de demostradores. Sin embargo, las aplicaciones potenciales son numerosas. De hecho, permite manipular la magnetización localmente sin recurrir a un campo magnético externo, a escala nanométrica y a escala de nanosegundos. Las ventajas son numerosas:

Spin electrónica

En un futuro próximo, podríamos ver la aparición en el mercado de productos que probablemente utilicen transferencia de giro:

Ver también

Notas y referencias