El primer transistor magnetoeléctrico
Una nueva y espectacular transformación en uno de los inventos del siglo XX más pequeños en tamaño pero más grandes en trascendencia, el transistor, podría ayudar a satisfacer la creciente necesidad de la civilización humana por la memoria digital al tiempo que se reduce de manera notable el consumo energético derivado del uso de dichos dispositivos de memoria.
Tras años de avances tecnológicos en su línea de investigación y desarrollo, el equipo de Christian Binek y Peter Dowben de la Universidad de Nebraska-Lincoln, así como Jonathan Bird y Keke He de la de Buffalo, ambas en Estados Unidos, ha conseguido crear el primer transistor magnetoeléctrico.
Además de reducir el consumo de energía de cualquier microelectrónica que lo incorpore, el nuevo diseño podría reducir la cantidad de transistores necesarios para almacenar ciertos datos hasta en un 75 por ciento, lo que permitiría miniaturizar más los dispositivos de memoria. También podría servir para dotar a esa microelectrónica de la capacidad de recordar exactamente todo lo que tenía cargado el usuario y en qué punto al terminar la sesión, incluso si esta finalizase abruptamente por cortarse el suministro eléctrico.
Muchos millones de transistores recubren la superficie de cada circuito integrado moderno, o microchip. Debido a esta inmensa cantidad de transistores por microchip, y a la también enorme cantidad de microchips que son fabricados en el mundo, el número de transistores fabricado cada año es colosal. Se estima que en solo en 2020 la cifra ascendió a 1 billón. El material principal con que se construyen es el silicio. Al regular el flujo de corriente eléctrica dentro de un microchip, cada minúsculo transistor actúa como un interruptor nanoscópico de encendido y apagado que es esencial para escribir, leer y almacenar datos como los ceros y unos del código binario en el que se basa la informática estándar actual y la tecnología digital en general.
Por desgracia, los microchips basados en el silicio se están acercando a sus límites prácticos. No se pueden miniaturizar más ni dan más de sí. Esos límites hacen que la industria de los semiconductores busque alternativas con una urgencia cada vez mayor.
Los transistores típicos basados en el silicio constan de múltiples terminales. Dos de ellos, denominados fuente y drenaje, sirven como puntos de partida y final para los electrones que fluyen a través de un circuito. Encima de ese canal se encuentra otro terminal, la puerta. La aplicación de un voltaje entre la puerta y la fuente puede determinar si la corriente eléctrica fluye con una resistencia baja o alta, lo que conduce a una acumulación o ausencia de cargas de electrones que se codifica como un 1 o un 0, respectivamente. Un inconveniente es que la memoria de acceso aleatorio (la memoria predominante en computación) requiere un suministro constante de energía para mantener esos estados binarios.
Así que, en vez de depender de la carga eléctrica como base de su diseño, el equipo recurrió al espín, una propiedad de los electrones relacionada con el magnetismo que apunta “hacia arriba” o “hacia abajo” y que puede leerse, al igual que la carga eléctrica, como un 1 o un 0.
El equipo sabía que los electrones que fluyen a través del grafeno, un material en forma de lámina con solo un átomo de grosor, pueden mantener sus orientaciones de espín iniciales durante distancias relativamente largas, una propiedad atractiva para demostrar el potencial de un transistor basado en la espintrónica. Para controlar la orientación de esos espines, utilizando una potencia sustancialmente menor que la requerida para un transistor convencional, los investigadores recurrieron a recubrir el grafeno con óxido de cromo, que es un material magnetoeléctrico, lo que significa que los espines de los átomos de su superficie pueden pasar de apuntar hacia arriba a apuntar hacia abajo, o viceversa, aplicando para ello una escasa cantidad de voltaje temporal.
Cuando se aplica un voltaje positivo, los espines del óxido de cromo subyacente apuntan hacia arriba, forzando en última instancia la orientación del espín de la corriente eléctrica del grafeno para que se desvíe hacia la izquierda y en el proceso produzca una señal detectable. En cambio, un voltaje negativo hace que los espines del óxido de cromo apunten hacia abajo, con lo que la orientación del espín de la corriente del grafeno se desvía hacia la derecha y genera una señal claramente distinguible de la otra.
Binek y sus colegas exponen los detalles técnicos del nuevo tipo de transistor en la revista académica Advanced Materials, bajo el título “Graphene on Chromia: A System for Beyond-Room-Temperature Spintronics”. (Fuente: NCYT de Amazings)
