La espintrónica es la tecnología electrónica basada en el espín del electrón, y es un área emergente de la nanotecnología. Si en la electrónica tradicional la información se transporta, se controla y se almacena utilizando la carga eléctrica del electrón, en cambio en espintrónica, se aprovecha que el espín es un grado de libertad relevante en materiales magnéticos muy diversos.
La respuesta de los materiales involucrados en dispositivos espintrónicos depende (mediante un abanico de efectos magnéticos, termodinámicos y de estructura electrónica) del estado del espín electrónico. Se puede considerar que las primeras manifestaciones de efectos característicos de espintrónica fueron la magnetorresistencia túnel (TMR) descubierta en 1975 por M Julliere [Julliere 75] y la magnetorresistencia gigante (GMR), descubierta en 1988 de forma prácticamente simultánea por A Fert [Baibich88] y P. Grünberg [Binasch89].
La GMR se pone de manifiesto como una reducción significativa del valor de la resistencia eléctrica de una multicapa magnética si la imanación de las capas ferromagnéticas se orienta paralelamente, respecto a la que presenta si las imanaciones son antiparalelas. El origen físico del fenómeno está en el cambio en la sección eficaz de dispersión de los electrones de conducción: además de la resistencia habitual, debida a la interacción de los electrones de conducción con los átomos de la red cristalina (que no depende del estado magnético del sistema, en general), se suma una contribución debida a que los electrones pueden ser dispersados por interacción magnética de su espín con la imanación del medio, que es fuertemente dependiente de la orientación relativa del espín electrónico y la imanación, dando lugar a la GMR.
Gracias a las mejoras que introdujeron S. Parkin de IBM y otros grupos de investigación [Parkin 93], a partir de 1997 se optimizaron las “válvulas de espín” y se pudieron comercializar cabezas lectoras GMR, en un tiempo récord desde el descubrimiento al producto comercializado: El Nivel de Madurez Tecnológica (TRL) pasó de TRL1 a TRL9 y al mercado en menos de una década. Las cabezas GMR posibilitaron una auténtica revolución en almacenamiento magnético de la información, llegando a todos los discos duros del mundo, contribuyendo a la revolución de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) y posibilitando la tecnología en la nube. Además, se han desarrollado multitud de sensores de posición y de velocidad (en motores, robots…), de campo magnético (en marcapasos, en sistemas geológicos, en tráfico…), y de corriente eléctrica basados en GMR.
La nueva frontera
La nueva frontera tecnológica en la que la espintrónica es actor principal es el desarrollo de Memorias Magnéticas no volátiles de Acceso Aleatorio (MRAM), dispositivos espintrónicos basados en TMR que ofrecen importantes ventajas de simplicidad de fabricación (minimización de errores), de reducción de consumo energético, y de durabilidad frente a las tecnologías DRAM actuales, basadas en el estado de carga eléctrica de condensadores o en memorias Flash RAM (de tipo EEPROM). Sin embargo, las MRAM tienen problemas de velocidad y densidad de almacenamiento que, de momento, no les permite ser competitivas en el mercado.
En las últimas décadas, y en paralelo a los desarrollos tecnológicos, se han ido sumando a la lista otros efectos espintrónicos que abren el abanico de nuevas aplicaciones científico-tecnológicas: Efectos de espín-orbita (tales como el efecto Hall de espín, el efecto Rashba-Edelstein, efecto Dresselhaus, bloqueo de espín-momento, etc.) [Manchon15, Soumya.16], generación, estabilización y control de texturas de espín (como los Skyrmions [Jiang15]) y de otros efectos topológicos y geométricos como texturas quirales [Streubel 16], importancia de los sistemas 2D (de tipo grafeno), transferencia de información usando ondas de espín (magnónica) , caloritrónica de espín (efecto Seebeck de espín, efecto Nernst de espín, etc.) [Bauer12], etc.
No se debe obviar que actualmente las TIC consumen alrededor del 5% de la producción mundial de energía eléctrica, con un incremento anual del 7%, lo cual puede llegar a ser insostenible rápidamente. La espintrónica plantea soluciones de optimización energética en diversas áreas tecnológicas, bien porque el proceso de lecto-escritura o procesamiento de información es menos costosa (como las MRAM) o porque directamente se pueden producir dispositivos capaces de recolectar la energía calorífica que se disipa, perdiéndose, para transformarla en corrientes de espín que resultan utilizables en otros procesos, como la caloritrónica de espín, en lo que se denomina Energy Harvesting.
En paralelo, se ha venido desarrollando una rama “paralela” de la espintrónica cuyos elementos mínimos de construcción son moléculas magnéticas. La espintrónica molecular ofrece características y ventajas propias, aunque también algunas limitaciones (bajas temperaturas de funcionamiento, dificultades para implementar los dispositivos, etc). Sin embargo, recientes éxitos en esta línea; como transistores monomoleculares [Thiele14], válvulas de espín moleculares en nanotubos de carbono (NTC) aislados [Urdampilleta11], etc., abren nuevas posibilidades de desarrollo, aunque en general el grado de madurez tecnológica del tema está en TRL4, a lo sumo.
Dado el potencial científico y tecnológico de la espintrónica, el objetivo principal de esta propuesta es promover el desarrollo de la misma y la colaboración entre grupos que trabajan en este tema en España
La espintrónica en la política científica europea
Para aprovechar las propuestas de innovación en espintrónica, la comunidad europea de I+D+i en espintrónica está impulsando la iniciativa SpinTronicFactory (ST-Factory, http://magnetism.eu/88-the-spintronicfactory-stf-.htm) para buscar sinergias en torno a desarrollos en espintrónica, con planes a corto, medio y largo plazo.
Varios de los miembros del equipo de investigación de la Red Española de Espintrónica participan activamente en ST-Factory
ST-Factory ha identificado 4 pilares temáticos y dos líneas transversales:
Los pilares temáticos son:
- MEMORIAS: básicamente MRAM está en situación de poder entrar en el mercado en pocos años (TRL7 – TRL9)
- SENSORES: hay sensores espintrónicos ya funcionando en el mercado (de hecho, los sensores Sensitec en Marte, desarrollados por la Joint-Venture Spintronic Technology Platform, de la U. Téc. de Kaiserslautern y la Gutenberg-Universidad de Mainz), que han controlado a la perfección los motores del vehículo expedicionario Curiosity de la NASA). Hay sensores espintrónicos en todo el rango de madurez tecnológica, desde TRL1-2 a TRL9
- Dispositivos de RADIOFRECUENCIA: Emisores, Mezcladores y Antenas: este es un campo amplísimo, en la que el acoplamiento del espín con la radiación electromagnética (vía ondas de espín y resonancia ferromagnética) es fundamental para la generación y detección de información.
- Dispositivos de LÓGICA de espín: Hay varias iniciativas en esta línea, casi todas en estadios iniciales de desarrollo (TRL bajos) en el momento actual: Lógica de paredes de dominio (DW racetracks), lógica magnónica, lógica nanomagnética, aproximaciones basadas en corrientes de espín, espintrónica con semiconductores, etc. Todavía involucra desarrollos de física básica de materiales en la mayoría de las líneas de trabajo.
En cada uno de estos pilares se plantea la necesidad imperiosa de diseñar una hoja de ruta precisa, ambiciosa y realista, junto con un análisis DAFO, así como una lista de actores y de acciones a emprender con un cronograma bien delimitado.
Por otra parte, la novedad de los materiales y los efectos relevantes en espintrónica, junto con el tamaño nanoscópico de los sistemas en estudio implica que es necesario el desarrollo sostenido y armónico de dos líneas transversales:
- Preparación, nanoestructuración y caracterización de nanosistemas
- Modelización, teoría y diseño de nanosistemas magnéticos
Uno de los objetivos principales de esta solicitud es posicionar a tantos grupos de investigación españoles como sea posible en SpinTronicFactory y sobre todo en las propuestas de networking, solicitudes de financiación e iniciativas de movilidad de investigadores, y formación, que puedan surgir de la misma.
Para ello, proponemos el establecimiento y financiación de una Red Española de Espintrónica (ESpín-Red) que mediante una ágil difusión de la información y promoviendo la colaboración científica y técnica entre sus grupos, facilite nuestra participación y aprovechamiento de la ST. Factory.
NODOS y Coordinadores
- Cantoblanco, Oksana Chubykalo Fesenko (CSIC)
- Madrid, Jacobo Santamaría Barriga (Universidad Complutense)
- Salamanca, Luis López Díaz (Universidad de Salamanca)
- Asturias, María Vélez Fraga (Universidad de Oviedo)
- Santiago de Compostela,
- Bellaterra, Sergio O. Valenzuela (ICREA)
- San Sebastián, Luis E. Hueso Arroyo (Ikerbasque)
- Bilbao, Rafael Morales Arboleya (Universidad del País Vasco UPV/EHU)
- Barcelona, Arantxa Fraile Rodríguez (Universidad de Barcelona)
- Zaragoza, Fernando Bartolomé (CSIC) – Coordinador de la Red