Investigadores de la Universidad de Tokio han logrado un avance significativo en el campo de la electrónica y la espintrónica al demostrar que la dirección de la corriente polarizada de espín puede ser restringida a una sola dirección en una capa de un solo átomo de una aleación de talio y plomo, todo ello a temperatura ambiente. Este hallazgo desafía la creencia establecida de que las capas de un solo átomo son prácticamente transparentes, es decir, que absorben o interactúan de manera despreciable con la luz.
La capacidad de dirigir el flujo de corriente en una única dirección abre la puerta a funcionalidades más allá de los diodos convencionales, lo que podría facilitar el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de datos más respetuosos con el medio ambiente, como los dispositivos espintrónicos bidimensionales ultra-finos. Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista ACS Nano.
La Espintrónica y el Efecto Fotogalvánico Circular
Los diodos son componentes fundamentales en la electrónica moderna, ya que restringen el flujo de corriente a una única dirección. Sin embargo, a medida que los dispositivos se vuelven más delgados, el diseño y la fabricación de estos componentes funcionales se complican. Por ello, demostrar fenómenos que puedan facilitar tales avances es de suma importancia. La espintrónica es un área de estudio que se centra en la manipulación del momento angular intrínseco (espín) de los electrones, por ejemplo, mediante la aplicación de luz.
Ryota Akiyama, uno de los investigadores involucrados, explica: «La espintrónica tradicionalmente ha tratado con materiales más gruesos. Sin embargo, nuestro interés se ha centrado en sistemas muy delgados debido a sus propiedades intrínsecamente emocionantes. Por lo tanto, queríamos combinar ambos y estudiar la conversión de luz a corriente polarizada de espín en un sistema bidimensional.»
La conversión de luz a corriente polarizada de espín se conoce como el efecto fotogalvánico circular (CPGE). En esta corriente polarizada de espín, los espines de los electrones se alinean en una dirección, restringiendo el flujo de corriente eléctrica a una única dirección según la polarización de la luz. Este fenómeno guarda similitudes con los diodos convencionales, donde la corriente eléctrica solo puede fluir en una dirección dependiendo de la polaridad del voltaje.
Durante su investigación, los científicos utilizaron aleaciones de talio y plomo para observar si este fenómeno podía presentarse incluso en capas tan delgadas como un solo átomo (sistemas bidimensionales). Los experimentos se llevaron a cabo en un ultra alto vacío para evitar la adsorción y oxidación del material, lo que les permitió revelar sus «verdaderos colores». Al irradiar las aleaciones con luz circularmente polarizada, los investigadores pudieron observar cambios en la dirección y magnitud de la corriente eléctrica que fluía.
En palabras de Akiyama, «aún más sorprendente fue que se trataba de una corriente polarizada de espín: la dirección del espín del electrón estaba alineada con la dirección de la corriente debido a las propiedades novedosas de estas delgadas aleaciones». Estas aleaciones delgadas, previamente desarrolladas por el equipo, presentaban propiedades electrónicas únicas, lo que les dio una pista para el estudio actual.
Akiyama vislumbra un futuro prometedor: «Estos resultados demuestran que la investigación básica es crucial para las aplicaciones y el desarrollo. En este estudio, nuestro objetivo era observar un sistema optimizado. Como siguiente paso, además de buscar nuevas aleaciones bidimensionales delgadas con propiedades electrónicas únicas, nos gustaría utilizar un láser de menor energía (terahercios) para reducir las rutas de excitación que inducen el CPGE. De este modo, podríamos aumentar la eficiencia de conversión de luz a corriente polarizada de espín.»
El equipo de investigación estuvo compuesto por Ibuki Taniuchi, Akiyama, Rei Hobara y Shuji Hasegawa.
