Un trabajo liderado por científicos del ICMAB-CSIC muestra que el comportamiento de los electrones en los óxidos de transición, materiales propuestos para la futura electrónica, depende también de la orientación cristalina del material. El trabajo arroja pistas para la investigación y para conseguir propiedades óptimas en los materiales.
Un trabajo liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC descubre que el comportamiento de los electrones en los óxidos de transición, materiales propuestos para la futura electrónica, depende no sólo del número de electrones que se mueven en el plano sino de la orientación de ese plano (que depende de la orientación cristalina del material). El trabajo arroja pistas para la investigación y para conseguir propiedades óptimas en los materiales.
Hoy en día, el desarrollo de la electrónica convencional –basada esencialmente en silicio- está llegando a límites fundamentales que obligan a plantearse nuevos conceptos y materiales para lograr dispositivos cada vez más eficientes y rápidos. Entre los nuevos materiales, los óxidos de transición despiertan gran interés, pues tienen propiedades que están ausentes en materiales convencionales.
Gervasi Herranz, científico del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC, explica: “Con la actual electrónica de silicio, al apagar un ordenador, la información grabada en los circuitos de silicio, en la SRAM se volatiliza, y sólo queda guardado lo que se ha grabado en el disco duro. Eso supone tiempo de procesamiento, de mover (grabar) la información de la RAM al disco duro o viceversa. Algunos metales de transición tienen propiedades ferroeléctricas y magnéticas de las que los semiconductores de silicio carecen, que permitirían guardar la información instantáneamente, en el mismo lugar en el que se genera, de forma que se ganaría en rapidez de procesamiento”.
La intercara (del inglés ‘interficie’) entre LaAlO3 y SrTiO3, dos óxidos de metales de transición con metales como el titanio, es el ejemplo más representativo. El descubrimiento de que estos materiales tienen propiedades superconductoras y magnéticas, ha aumentado el interés de estos materiales para la electrónica del futuro.
Hasta ahora se sabía que los electrones en estos óxidos de metales de transición se mueven en un plano, es decir, su movimiento solamente se puede dar en dos dimensiones, y es por ello que se habla de un gas electrónico bidimensional (ver ilustración a).
Ahora, un trabajo desarrollado por el grupo liderado por Gervasi Herranz, en el que han participan investigadores del ICMAB-CSIC en Barcelona, el ESPCI-ParisTech (Francia) y Oak Ridge National Laboratory (USA) ha permitido establecer que el comportamiento de los electrones en estos óxidos depende no sólo del número de electrones que se mueven en el plano sino, también, de la orientación de este plano. A bajas temperaturas estos óxidos se vuelven superconductores, formando pares de electrones (los llamados pares de Cooper). La manera en que estos pares de electrones se hallan ligados depende tanto del número de electrones –modulado por campos eléctricos (ilustración a)– como de la orientación cristalina que determina el eje cristalográfico a lo largo del cual los electrones están confinados en dos dimensiones (ilustración b).
Cambiando la orientación cristalina del material se cambian también las propiedades de los electrones
Dicho de otra forma, “cambiando la orientación cristalina del material se cambian también las propiedades de los electrones”. El descubrimiento, que se ha publicado en la revista Nature Communications, arroja pistas para la investigación y para conseguir propiedades óptimas en los materiales.
Otra repercusión del trabajo liderado por el ICMAB-CSIC concierne al spin de los electrones. Más allá de la carga, los electrones poseen un pequeño momento magnético, el espin. La posibilidad de explotar el espin de los electrones, en vez de solamente su carga (como se hace en los transistores de hoy en día), despierta gran interés porque repercute en un control más eficiente de las propiedades de los electrones y en un menor consumo de energía para los dispositivos basados en el control de spin.
“Nuestro trabajo ofrece nuevas vías de investigación de gases bidimensionales de electrones en materiales óxidos, donde nuevas propiedades físicas, ausentes en materiales convencionales, pueden ser explotadas para prefigurar nuevos conceptos en dispositivos electrónicos más allá de los esquemas convencionales. En particular, vemos que el momento magnético (espín) de los electrones se orienta según cómo se mueven en el plano y de la orientación cristalina de dicho plano. Ello abre la posibilidad de explotar el spin de los electrones, en vez de su carga, en estos óxidos, de ahí su gran interés.”
G. Herranz at al., Engineering two-dimensional superconductivity and Rashba spin–orbit coupling in LaAlO3/SrTiO3 quantum wells by selective orbital occupancy, Nature Communications 2014, doi:10.1038/ncomms7028.