Semiconductores magnéticos diluidos: Materiales para la espintrónica

Abstract

Los dispositivos electrónicos modernos basan su funcionamiento en dos tipos de materiales: semiconductores y materiales magnéticos. Los semiconductores son materiales que en su estado fundamental tienen la banda de valencia (BV) completa y la banda de conducción (BC) vacía, lo que correspondería a un estado aislante o no-conductor. Sin embargo, si se promocionan algunos electrones a la BC (mediante la aplicación de un potencial eléctrico, iluminando el material con luz u otro método) aparecen portadores (electrones en la BC y huecos en la BV) que permiten que el material conduzca electricidad. Con estos semiconductores se pueden fabricar dispositivos como el transistor MOSFET, en los que se mide la resistencia eléctrica entre dos contactos óhmicos. En principio, la ausencia de portadores en el cuerpo semiconductor da un estado de alta resistencia o no-conductor, pero si se aplica un voltaje “de puerta” en el electrodo central, aparecen portadores en el semiconductor de manera que el sistema pasa a un estado baja resistencia o conductor. A estos dos estados, se les pueden asignar los valores 0 y 1, y utilizarlos para gestionar información en formato binario. Estos dispositivos pueden realizar millones de operaciones por segundo y son la base de los microprocesadores actuales. La gran limitación de los transistores es que la información es volátil: Necesitamos aplicar la tensión de manera permanente para mantener la información almacenada en el dispositivo. Cuando se apaga el sistema, toda la información almacenada en los transistores se pierde. Por ello el consumo de energía de estos dispositivos es muy elevado.

Por su parte, en los materiales magnéticos con un “eje fácil de imanación” (dirección en la que la imanación se mantiene estable) existen dos posibles orientaciones de la imanación a las que se pueden asignar también los valores 0 y 1 y utilizarlos para almacenar la información como se hace en un disco duro. La gran ventaja de los materiales magnéticos es que la información es no volátil: una vez grabada, se mantiene almacenada durante años por lo que el consumo de energía es mínimo (solo se gasta energía al escribir y al leer la información). Sin embargo, la velocidad a la que se puede leer o escribir información en soporte magnético es mucho más lenta que en los transistores, y el número de operaciones por segundo que se pueden realizar es mucho menor.

Es evidente que semiconductores y materiales magnéticos son complementarios, por lo que los dispositivos actuales utilizan ambos tipos de materiales, pero de manera separada: los semiconductores para los microprocesadores que gestionan la información que se está utilizando en ese momento (programas, archivos, etc.) y los materiales magnéticos en los discos duros que almacenan la información que no se está usando en ese momento de manera permanente.

Esto significa que en los dispositivos tenemos dos tipos de elementos que tienen que intercambiar información continuamente. Lógicamente, si se consiguiera un material con las propiedades de los materiales semiconductores y magnéticos simultáneamente, se podría evitar esta transferencia continua de información, lo que permitiría desarrollar dispositivos más rápidos, eficaces y con menor consumo de energía.

Se trataría de materiales en los que las propiedades magnéticas y de transporte estén acopladas, de manera que el estado de imanación del material (que mantendría la información de manera permanente) modifique las propiedades de transporte (que se pueden leer rápidamente). Dicho acoplo es posible ya que la partícula responsable de la conducción eléctrica, el electrón, tiene momento magnético de espín, por lo que el estado magnético del material en el que se encuentra puede modificar sus propiedades de conducción.