Nuevos avances en la transformación del calor del spin en corriente eléctrica

La Universidad de Zaragoza ha contribuido a dar un paso decisivo para el desarrollo de la espintrónica, un nuevo tipo de electrónica. Y es que la espintrónica podría sustituir a la electrónica convencional en un futuro próximo, lo que favorecerá el desarrollo en el campo de las telecomunicaciones y el almacenamiento de información. Este nuevo tipo de electrónica explota la carga del electrón y la orientación de su espín para obtener dispositivos con nuevas funcionalidades.

Además, una de las aplicaciones más prometedoras en las que podría aplicarse este descubrimiento esen la transformación de calor en corriente de carga eléctrica, de gran interés en el ámbito energético. Para ello se ha utilizado el efecto Rashba inverso, aplicado por primera vez por el investigador del Instituto de Ciencia de los Materiales de Aragón (ICMA) José María De Teresa, que junto al Premio Nobel de Física 2007, Albert Fert (Universidad de Paris Sur), y Laurent Vila (CEA, Grenoble), ha coordinado este trabajo que ahora publica la revista científica Nature Communications. Además, el investigador ARAID del Instituto de Nanociencia de Aragón (INA), César Magén, ha realizado los experimentos de caracterización de las muestras por microscopía electrónica de transmisión en el microscopio Titán perteneciente al laboratorio de Microscopías Avanzadas (LMA).

La espintrónica es la rama de la Física que pretende aprovechar las propiedades del espín del electrón para construir dispositivos útiles. A diferencia de la electrónica convencional, que usa una propiedad clásica como es la carga del electrón, la espintrónica se basa en aprovechar una propiedad cuántica del electrón: su espín o momento magnético interno. El ejemplo más conocido de aplicación de la espintrónica es en el diseño de dispositivos que presentan ‘Magnetorresistencia Gigantey’ que hoy en día usamos para la lectura de la información almacenada en los discos duros. Por este descubrimiento, uno de los co-autores del trabajo, Albert Fert, Doctor Honoris Causa por la Universidad de Zaragoza, recibió el Premio Nobel de Física en 2007 junto al Prof. Grünberg.

Desde hace varias décadas, gracias a los materiales termoeléctricos es posible transformar el calor (como el que se genera por la combustión en el motor de un coche) en energía eléctrica. Sin embargo, este proceso no es por ahora muy eficiente y resulta caro usar esta tecnología. Recientemente, se ha descubierto un efecto llamado efecto Seebeck de espín por el que el calor se aprovecha para generar una corriente de espín. Uno de los descubridores de este efecto es el investigador japonés Sadamichi Maekawa, que hoy miércoles será investido Doctor Honoris Causa por la Universidad de Zaragoza. El profesor Maekawa (Instituto de Materiales, Tohoku University, Japón) es uno de los físicos más relevantes a nivel mundial que trabajan en teoría sobre la espintrónica. El profesor Maekawa ha desarrollado su carrera investigadora en Japón (Sendai y Tokio) y en USA (IBM, New York), y ha recibido varias distinciones, liderando proyectos a nivel nacional en Japón.

La empresa eléctrica japonesa NEC está desarrollando los demostradores de esa nueva tecnología que transformaría el calor en corriente de espín y de ahí en corriente de carga mediante el efecto Hall de espín inverso. Los resultados presentados en el presente trabajo desarrollado por investigadores aragoneses serían una alternativa, ya que esa transformación de corriente de espín en corriente eléctrica es más eficiente por el efecto Rashba inverso, pudiendo quizá hacer viable esta tecnología tan prometedora en el ámbito energético.

En el presente trabajo se ha generado la corriente de espín irradiando un material magnético con radiación microondas. Para hacer la transformación de esa corriente de espín en corriente eléctrica se ha utilizado por primera vez el efecto Rashba inverso utilizando la interfase bismuto-plata. El efecto Rashba directo es un efecto puramente cuántico que implica que en un material con acoplo espín-órbita, si los electrones se mueven cerca de su superficie en una dirección paralela a ella, el número de electrones arriba y abajo se descompensa en la dirección perpendicular a la de su movimiento y a la de la superficie. El aspecto innovador del presente trabajo fue proponer que si se envía una corriente de espín sobre una superficie con fuerte efecto Rashba se producirá el efecto inverso, es decir, su transformación en una corriente de carga en la dirección perpendicular a la de la superficie y a la de la dirección en la que apuntan los espines de los electrones que llegan a ella.

Estudios teóricos habían apuntado que la interfase plata-bismuto presentaría un efecto Rashba gigante, por lo que se pensó que sería la interfase ideal para hacer la transformación de la corriente de espín en corriente de carga. Los resultados experimentales han demostrado que esto es realmente así, dando lugar a conversiones de corriente de espín en corrientes de carga casi un factor 10 más eficientes que cuando se usa el efecto Hall de espín inverso.