Procedimiento y dispositivo para manipular y seleccionar espines.

La presente invención consiste en construir un dispositivo tipo Hall al que se incorpora,

como novedad, un tercer elemento: Este tercer elemento es una fuente que produce una radiación electromagnética o campo magnético oscilante vectorB1, resonante con la transición entre los estados up y down del espín de los electrones generados por el campo magnético vectorB0. El plano de oscilación de la componente magnética de radiación vectorB1, es el definido por los ejes X e Y. Es decir, es perpendicular al campo magnético vectorB0.

s Procedimiento y dispositivo para manipular y seleccionar espines.

Sector de la técnica.

10 Esta invención se encuadra dentro de este sector de la técnica conocido como

espintrónica y en particular, la parte que trata de la manipulación y selección de

espines. Concretamente en la capacidad de seleccionar los espines electrónicos (o de

otras partículas con espín) y separarlos en dos sistemas estables polarizados , uno con

espín hacia arriba "espín up" y otro Con espín hacia abajo "espín down" según la

15 terminología usual en esta rama del conocimiento. De fonna que podemos seleccionar

el sistema que nos convenga "espín up" o "espín down" en función del uso específico

que se le quiera dar en cada caso.

Estado de la técnica.

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La Espintrónica (neologismo a partir de "espín" y "electrónica" y conocido también

como magnetoelectrónica) es una tecnología emergente que explota tanto la carga del

electrón como su espín,

El primer requisito para construir un dispositivo espintronico es disponer de un sistema

25 que pueda generar una corriente de electrones "espín polarizados" (es decir, que tengan

el mismo valor para su espín) y de otro sistema que sea sensible a esa polarización. Y

sería muy importante disponer de una unidad intennedia que realice algún tipo de

procesamiento en la corriente, de acuerdo con los estados de los espines.

El método más simple de que una corriente sea "espín polarizada" es hacerla pasar a

30 través de un material ferromagnético, que debe ser un cristal único, de forma tal de que

filtre a los electrones de manera uniforme. Si los dos campos magnéticos están

alineados, entonces la corriente podrá pasar, mientras que si se oponen aumentará la

resistencia del sistema, efecto conocido como magnetorresistencia gigante.

Probablemente el dispositivo espintrónico más exitoso hasta el momento haya sido la

35 válvula espín, un dispositivo con una estructura de capas de materiales magnéticos que

muestra gran sensibilidad a los campos magnéticos. Cuando uno de estos campos está

presente, la válvula permite el paso de los electrones, pero en ca~o contrario sólo deja

pasar a los electrones con un espín determinado. Desde 2002 ha sido común su uso

como transductor en cabezas de discos duros.

40 La espintrónica puede tener un impacto radical en los dispositivos de almacenamiento

masivo; científicos de IBM anunciaron en 2002 la compresión en un área diminuta de

cantidades enormes de datos, alcanzando una densidad de aproximadamente 155.000

millones de bits por cm2 •

Se está haciendo un gran esfuerzo enfocado a encontrar nuevas vías para la generación y

45 utilización de corrientes de espín polarizado. Esto incluye la investigación de transporte

de espín en semiconductores y en la búsqueda de cómo los semiconductores pueden

funcionar como polarizadores de espín y válvulas de espín.

Pero todavía no se tienen suficientes estudios teóricos que liguen el Efecto de Espín Electrónico (SHE en sus siglas en inglés) con cantidades medibles como la acumulación de espín o la finna óptica. El descemimiento sobre la naturaleza del SHE es ahora una cuestión emergente para los experimentalistas. Y algunos grupos de científicos dedicados a la experimentación ya han tenido éxito en la medida de la acumulación de espines en semiconductores no magnéticos por detección óptica de la acumulación de espín en el borde de la muestra. Sin embargo, en ausencia de estudios teóricos que explicasen, de fonna cuantitativa y cualitativa, este efecto no ha sido posible, hasta ahora, diseñar una técnica de manipulación de espines con posibilidades de uso industrial que pueden ser utilizados como eqUIpos multifuncionales, y ser incorporados fácilmente a los distintos usos tecnológicos.

Efccto Hall.

Se explicará en dos etapas. Primera etapa: Sin campo magnético (véase fig.l) . Se presenta el dispositivo experimental que consta de un material conductor o semiconductor y que se representa en Ia.s figuras por un cubo. A este cubo lo designamos por la letra K. Dos contactos situados en las caras perpendiculares el eje X de la figura que llamamos Ca y Cb. Estos nos pennitirán, mediante el voltímetro VH, intercalado en el circuito que une los dos contactos, medir si existe alguna diferencia de potencial entre ellos. Por K hacemos circular una corriente eléctrica 1 que lleva, dentro de K, una dirección paralela al eje Y de la figura. Esta corrienw eléctrica es generada por una batería E, por ejemplo. Con este montaje experimental, VH no indicará ninguna diferencia de potencial entre los dos contactos Ca y Cb.

Segunda etapa: Con campo magnético 80

Si se incorpora al experimento un campo magnético 80 que lleva la dirección del eje Z (véase fig. 2) En presencia de este campo magnético 8º, perpendicular al movimiento de las cargas,

se produce una acumulación de cargas en una de las caras del cubo K. Esta acumulación se representa por una desviación de la trayectoria de las cargas. Esta acumulación de cargas da lugar a un campo eléctrico en el interior del conductor, perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado. A este campo eléctrico se le denomina campo Hall.

La fuerza magnética que actúa sobre los portadores de carga hace que estos se reagrupen dentro del material, esto es, los portadores de carga se desvían y agrupan a un lado del material conductor o semiconductor, apareciendo así un campo eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería

E. Este campo eléctrico es el denominado campo Hall, y ligado a él aparece la tensión Hall, que se puede medir mediante el voltímetro.

Desde un punto de vista clásico la explicación es la siguiente: una corriente I que atraviesa un material consiste en cargas (electrones) que se desplazan (en dirección contraria a la corriente) con una velocidad que denominaremos v. Si introducimos ese material en un campo magnético Bo , cada uno de los electrones que fonnan la corriente estarán sometidos a la fuerza de Lorentz F= q vx Bu. Donde q corresponde a la carga de un electrón, vel vector velocidad del electrón y Bo el vector campo magnético aplicado.

La dirección de la fuerza será perpendicular al plano fonnado por V y Bo (ya que es resultado del producto vectorial_de ambos) y provocará un desplazamiento de electrones en esa dirección. Como consecuencia tendremos una concentración de cargas negativas sobre uno de los lados del material y un déficit de cargas negativas en el lado opuesto. Esta distribución de cargas genera una diferencia de potencial entre ambos lados, la tensión de Hall VII, y un campo eléctrico EH.

Este campo eléctrico que genera a su vez una fuerza eléctrica sobre los electrones dada por la Ley de Coulomb F= -e· EH , que actúa en dirección contraria que la fuerza de Lorentz. El equilibrio se alcanzará cuando la suma de las dos se anule, de lo cual deducimos que, en el equilibrio, el valor del campo Hall es: EH = -v x Bo.

Hasta aquí se ha descrito el efecto Hall. Se limita el efecto Hall a la separación de cargas de su trayectoria original, sin distinguir entre espines.

Descripción detallada de la invención.

La presente mvención consiste en incorporar al dispositivo típico de efecto Hall o equivalente un tercer elemento. Este tercer elemento es una fuente radiación electromagnética o campo magnético oscilante B1 , resonante con la transición entre los estados up y down del espín de los electrones generados por el campo magnético Bo . El plano de oscilación de la componente magnética de radiación ¡j1, es el definido por los ejes X e Y. Es decir, es perpendicular al campo magnético Bo (Véase fig.3) .

En unos ejes cartesianos y una configuración estándar equivalente a la de las figuras (1) Y (2) , la corriente eléctrica iría en la dire:cción del eje y, el vector de onda k de la radiación que apunta en la dirección de propagación de la onda y cuya magnitud es el número de onda lleva la dirección del eje x, yel campo homogéneo Bo en la dirección del eje z.

Esta nueva interacción debida la radiación hace posible separar y distinguir ambos estados de espín (up o down) porque cambia sus trayectorias.

El máximo efecto se consigue cuando la radiación o el campo magnético oscilante, oscilan con una frecuencia úJo , resonante con la transición entre los dos estados de , .

distinto espín ( V+ (up) - (down) ::::: ~ (E+ -E_) = ;;) generados por el campo magnético 80 , Si no coinciden también hay una probabilidad pero la eficiencia disminuye.

1. Procedimiento para la producción ele corrientes de electrones con los espines polarizados en la dirección Up y Down. Caracterizado por las siguientes etapas. A una pastilla macroscópica, microscópica o nanoscópica de un material conductor por el que se hace circular una corriente de electrones, se aplica un campo magnético homogéneo (80 ) y un campo magnético oscilante o rotatorio (Bd. Este campo magnético 81 oscila o rota en un plano perpendicular la dirección que define el campo magnético homogéneo Bo.

La corriente de electrones se divide en dos, una con espín Up y otra con espín Down, cuando la frecuencia del campo oscilante coincide con frecuencia de resonancia entre los dos niveles de energía que se generan debidos a la presencia del campo homogéneo Bo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la pastilla es una pastilla muhicapa de diferentes metales.

3. Sistema para la producción de corrientes de electrones, uno con la polarización en la dirección up y otra con la polarización en la dirección down, que incluye: Pastilla de material conductor. Medios para generar una corriente de electrones que circule por la pastilla de material conductor. Medios para generar un campo magnético, oscilante o rotatorio, B1 Medios para generar un campo magnético homogéneo Bo , en dirección perpendicular al plano en que oscila o rota B1.

4. Sistema según la reivindicación 3 caracterizado porque la pastilla es una pastilla multicapa.