Los dispositivos espintrónicos funcionan con texturas de espín creadas por interacciones físico-cuánticas. Una colaboración hispano-alemana ha estudiado las heteroestructuras de grafeno-cobalto-iridio en BESSY II. Los resultados muestran cómo dos efectos físico-cuánticos deseables se refuerzan mutuamente en estas heteroestructuras. Esto podría dar lugar a nuevos dispositivos espintrónicos basados en estos materiales.
La espintrónica utiliza el giro de los electrones para realizar operaciones lógicas o almacenar información. Idealmente, los dispositivos espintrónicos pueden funcionar más rápido y con mayor eficiencia energética que los dispositivos semiconductores convencionales. Sin embargo, crear y manipular texturas giratorias en materiales sigue siendo difícil.
Grafeno para la espintrónica
El grafeno, una estructura bidimensional en forma de panal formada por átomos de carbono, se considera un candidato atractivo para aplicaciones espintrónicas. El grafeno suele depositarse sobre finas películas de metales pesados. En la interfaz entre el grafeno y los metales pesados, se desarrolla un fuerte acoplamiento espín-órbita, que da lugar a varios efectos cuánticos, incluido un nivel de energía de división espín-órbita (efecto Rashba) y una inclinación en la alineación de los espines (interacción Dzyaloshinskii-Moriya). En particular, para estabilizar la textura se necesitan espines similares a vórtices, los llamados skyramiones, que son especialmente adecuados para la espintrónica.
más monocapas de cobalto
Ahora, sin embargo, un equipo hispano-alemán ha demostrado que estos efectos aumentan significativamente cuando se insertan unas pocas monocapas del elemento ferromagnético cobalto entre el grafeno y un metal pesado (en este caso: iridio). Las muestras se cultivaron sobre sustratos aislantes, lo cual es un requisito previo necesario para implementar dispositivos espintrónicos versátiles que aprovechen estos efectos.
Se observaron interacciones
“En BESSY II analizamos la estructura electrónica en la interfaz entre grafeno, cobalto e iridio”, afirmó el Dr. Jaime Sánchez-Barriga, físico del HZB. El descubrimiento más importante: contrariamente a lo esperado, el grafeno interactúa no sólo con el cobalto, sino también con el iridio a través del cobalto. “La interacción entre el grafeno y el metal pesado iridio está mediada por la capa ferromagnética de cobalto”, explica Sánchez-Barriga. La capa ferromagnética aumenta el nivel de energía de división. «Podemos influir en el efecto de giro mediante el número de monocapas de cobalto; Sánchez-Barriga dice que lo mejor es tres monocapas.
Este resultado está respaldado no sólo por datos experimentales, sino también por nuevos cálculos que utilizan la teoría funcional de la densidad. Ambos efectos cuánticos que se influyen y se refuerzan mutuamente son nuevos e inesperados.
GIRO-ARPES EN BESSY II
«Solo pudimos obtener estos nuevos conocimientos porque BESSY II proporciona un instrumento altamente sensible para medir la emisión de luz con resolución de espín (spin-ARPES). Esto lleva a la afortunada situación de que podemos determinar la supuesta fuente de la inclinación del espín, es decir, la división entre órbita y espín del tipo Rashba, de manera muy precisa, quizás incluso más precisa que la inclinación del espín.’ Spin and Topology” en Materiales, jefe del departamento. Hay muy pocas organizaciones en todo el mundo que tengan dispositivos con esta capacidad. Los resultados muestran que las heteroestructuras basadas en grafeno tienen un gran potencial para la próxima generación de dispositivos espintrónicos.