Se habría demostrado que la Espintrónica: el uso de diamantes en la computadora es posible, la información puede fluir a través de un hilo de ese duro material.
En el futuro serviría para la transmisión de datos en los circuitos de las computadoras.
En el experimento, los electrones no fluyeron a través de diamantes como lo hacen en la electrónica tradicional, sino que se quedaron en su lugar y se pasan a lo largo de un efecto magnético llamado «spin» el uno al otro por el cable – como una fila de espectadores deportivos haciendo «la ola». El spin podría un día utilizarse para transmitir datos en los circuitos del ordenador – y este nuevo experimento reveló que el diamante transmite mejor que la mayoría de los metales en los que los investigadores han observado con anterioridad el efecto.
Investigadores de todo el mundo están trabajando para desarrollar las llamadas «espintrónica», que podrían hacer que los ordenadores de forma simultánea sean más rápidos y más potentes.
Los diamantes tienen mucho a su favor cuando se trata de la espintrónica, dijo el investigador principal, Chris Hammel, erudito eminente en Física Experimental en la Ohio State.
Es duro, transparente, eléctricamente aislante, impermeable a la contaminación ambiental, resistente a los ácidos, y no mantienen el calor como lo hacen los semiconductores.
«Básicamente, es inerte. No se puede hacer nada con ellos. Para un científico, los diamantes son un poco aburridos, a menos que usted este comprometiéndose», dijo Hammel. «Pero es interesante pensar en cómo un diamante funcionaría en un ordenador.»
El precio para el hilo de diamante no alcanzó las proporciones de un anillo de compromiso, confirmó Hammel. Costó apenas $ 100, ya que estaba hecho de material sintético, más que el de diamante natural.
Los resultados aquí representan el primer paso muy pequeño a lo largo de un camino muy largo que algún día podría conducir a los transistores de diamantes.
Pero más allá de eso, este descubrimiento podría cambiar la forma en que los investigadores estudian el spin, dijo Hammel.
El hallazgo aparece en la edición del 23 de marzo de la revista Nature Nanotechnology.
Los electrones alcanzan diferentes estados de espín de acuerdo con la dirección en la que están girando – arriba o hacia abajo. El equipo de Hammel coloco un hilo de diamante pequeño en un microscopio de fuerza de resonancia magnética y detectó que los estados de espín en el interior del alambre varían de acuerdo con un patrón.
«Si este cable fuera parte de un equipo, transferiría la información. No hay duda de que usted sería capaz de decir en el otro extremo del alambre lo que el espín de la partícula original estaba en el principio», dijo.
Normalmente, el diamante no podía llevar un giro en absoluto, porque sus átomos de carbono están encerrados juntos, con cada electrón firmemente unido a un electrón vecino.
Los investigadores tuvieron que sembrar el cable con átomos de nitrógeno con el fin que haya electrones no apareados que pueden girar. El cable contiene un solo átomo de nitrógeno por cada tres millones de átomos del diamante, pero eso fue suficiente para que el alambre gire.
El experimento funcionó porque los físicos del estado de Ohio fueron capaces de observar el espín del electrón en una escala más pequeña que nunca. Se centraron el campo magnético en su microscopio en porciones individuales del alambre, y encontraron que podían detectar cuando el giro pasa a través de esas porciones.
El cable mide sólo cuatro micrómetros de largo y 200 nanómetros de ancho. Con el fin de ver su interior, pusieron la bobina magnética en el microscopio para encender y apagar en diminutas fracciones de segundo, generando pulsos que crearon 15 nanómetros (aproximadamente 50 átomos) de ancho instantáneas de comportamiento de los electrones.
Sabían que el espín estaba fluyendo a través del diamante cuando un imán en un voladizo delicado trasladó cantidades diminutas, ya que fue atraído o repelido alternativamente por los átomos en el cable, en función de sus estados de espín.
Incluso más sorprendente fue que los estados de espín duró el doble cerca del extremo del cable que en el medio. Sobre la base de experimentos ordinarios, los físicos podrían esperar estados de espín que duren el mismo periodo de tiempo, independientemente del lugar donde se realiza la medición.
En este caso, los estados de espín en el interior del alambre se prolongaron durante unos 15 milisegundos, y cerca del final se prolongaron durante 30 milisegundos.
El equipo de Hammel sospecha que pudieron ser testigos de este nuevo efecto en parte debido a lo cerca que pudieron acercarse en el alambre.
A medida que centraron su pequeña ventana de observación en la punta de la aguja, fueron testigos de la vuelta que fluye en la única dirección que podía fluir: en el alambre. Cuando panoramizaron lo largo del alambre para observar el medio, la «ventana» vaciada de giro dos veces más rápido, debido a que los estados de espín podían fluir en ambas direcciones – dentro y fuera del alambre.
«Es una manera espectacular de efecto enorme que nosotros no estábamos preparados», dijo Hammel.
El descubrimiento desafía la manera que los investigadores han estudiado el spin en los últimos 70 años, explicó Hammel.
«El hecho de que el spin se pueda mover así significa que la forma convencional de que las medidas mundiales dinámicas giran a nivel macroscópico tiene que ser reconsideradas – en realidad no es válida», agregó.
Los experimentos convencionales no tienen la resolución fina para mirar dentro de los objetos tan pequeños como el cable utilizado en este estudio, por lo que sólo pueden mirar a los objetos como un todo.
En esas circunstancias, los investigadores sólo pueden detectar el estado de espín promedio: cuántos electrones en la muestra están apuntando hacia arriba, y cuántos están apuntando hacia abajo.
Los investigadores no saben la diferencia si un par de electrones en una parte de la muestra voltean de abajo hacia arriba, y otra parte voltea de arriba hacia abajo, debido a que el número promedio de vueltas seguiría siendo el mismo.
«No es el promedio que queremos», dijo Hammel. «Queremos saber cuánto varían los giros, y que es la vida útil de cualquier estado de espín particular.»
Es la diferencia entre saber que un promedio de un cuarto de todos los espectadores en un estadio está de pie en un momento dado, sabiendo que las personas individuales están de pie y sentadas en un patrón sincronizado para formar «la ola».
Nadie podía ver antes los espines en diamantes, pero este experimento demostró que el diamante puede transportar giro de una manera organizada, preservando el estado del espín – y, por tanto, la preservación de la información.
Los físicos tuvieron que enfriar el alambre a 4,2 Kelvin (unos -452 grados Fahrenheit o -269 grados Celsius) para reducir la velocidad de los giros y calmar su detector sensible suficiente para hacer estos pocos giros detectables. Muchos avances tendrían que ser realizados antes de que el efecto pudiera ser explotado a temperatura ambiente.
Los co-autores incluyen a los estudiantes de doctorado Jeremy Cardellino, Nicolás Scozzaro, Andrew J. Berger, y Chi Zhang, el ex estudiante de doctorado Michael Herman (ahora en la Universidad Johns Hopkins), el ex investigador postdoctoral Kin Chung Fong (ahora en Caltech), Ciriyam Jayaprakash, profesor de física, y Denis V. Pelekhov, director del Laboratorio de Nanosistemas de Ohio State.
Hammel dirige el Centro de la Universidad de la universidad para Materiales Emergentes, una Ciencia de Investigación de Materiales e Ingeniería, financiado por la Fundación Nacional de Ciencia.
Ese trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Materiales Emergentes, y el Laboratorio de Nanosistemas.
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