Los investigadores lograron por primera vez demostrar un dispositivo, basado en un material magnético 2D, a temperatura ambiente. El cristal magnético 2D se muestra como bolas azules, amarillas y blancas y es una mezcla de átomos de hierro, telurio y germanio. La gran flecha turquesa indica la dirección de magnetización del imán 2D. El cristal de color gris son los átomos de carbono del canal de grafeno. Las flechas turquesas más pequeñas indican los electrones polarizados de espín inyectados desde el imán 2D en el canal de grafeno. Aquí, el imán 2D actúa como una fuente de electrones polarizados por espín y el canal de grafeno para el transporte y la comunicación del espín. Crédito: Chalmers/Bing Zhao
Se cree que el descubrimiento de nuevos materiales cuánticos con propiedades magnéticas allanará el camino para computadoras y dispositivos móviles ultrarrápidos y considerablemente más eficientes energéticamente. Hasta ahora, se ha demostrado que este tipo de materiales solo funcionan en temperaturas extremadamente frías. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia es el primero en hacer que un dispositivo hecho de un material magnético cuántico bidimensional funcione a temperatura ambiente.
La rápida expansión de la TI actual genera cantidades masivas de datos digitales que deben almacenarse, procesarse y comunicarse. Esto viene con una necesidad cada vez mayor de energía: se prevé que consumirá más del 30 por ciento del consumo total de energía del mundo para 2050. Para combatir el problema, la comunidad de investigación ha entrado en un nuevo paradigma en la ciencia de los materiales. La investigación y el desarrollo de materiales cuánticos bidimensionales, que se forman en láminas y tienen solo unos pocos átomos de espesor, han abierto nuevas puertas para el almacenamiento y procesamiento de datos sostenible, más rápido y con mayor eficiencia energética en computadoras y teléfonos móviles.
El primer material atómicamente delgado que se aisló en el laboratorio fue el grafeno, un plano de grafito de un solo átomo de espesor, que resultó en el Premio Nobel de Física de 2010. Y en 2017, se descubrieron por primera vez materiales bidimensionales con propiedades magnéticas. Los imanes juegan un papel clave en nuestra vida cotidiana, desde sensores en nuestros automóviles y electrodomésticos hasta tecnologías de memoria y almacenamiento de datos informáticos, y el descubrimiento ha abierto soluciones nuevas y más sostenibles para una amplia gama de dispositivos tecnológicos.
Bing Zhao, postdoctorado en Física de Dispositivos Cuánticos, Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia. 1 crédito
“Los materiales magnéticos bidimensionales son más sostenibles porque son atómicamente delgados y ofrecen propiedades magnéticas únicas que los hacen atractivos para desarrollar nuevas aplicaciones ultrarrápidas y de bajo consumo de energía para sensores y conceptos informáticos y de memoria magnética avanzada. Esto los convierte en candidatos prometedores para una variedad de tecnologías diferentes”, dice Saroj Dash, profesor de física de dispositivos cuánticos en la Universidad Tecnológica de Chalmers.
El primero en demostrar dispositivos basados en imanes 2D a temperatura ambiente
Hasta ahora, los investigadores solo han podido demostrar imanes bidimensionales a temperaturas extremadamente bajas en entornos de laboratorio, las llamadas temperaturas criogénicas, lo que impide su uso más amplio en la sociedad. Pero ahora un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers ha logrado demostrar, por primera vez, un nuevo dispositivo bidimensional basado en material magnético a temperatura ambiente. Utilizaron una aleación a base de hierro (Fe5GeTe2) con grafeno, que se puede utilizar como fuente y detector de electrones polarizados por espín*. Y ahora se cree que el descubrimiento permite una variedad de aplicaciones técnicas en múltiples industrias, así como en nuestra vida cotidiana.
Saroj Dash, Profesor, Laboratorio de Física de Dispositivos Cuánticos, Universidad Tecnológica de Chalmers. Crédito: Chalmers/Oscar Mattsson
“Estos imanes 2D se pueden usar para desarrollar dispositivos de memoria ultracompactos, más rápidos y más eficientes energéticamente en las computadoras. También se pueden usar para desarrollar sensores magnéticos altamente sensibles para una amplia gama de aplicaciones, incluido el monitoreo biomédico y ambiental, la navegación y la comunicación”, explica Bing Zhao, becario postdoctoral en Física de Dispositivos Cuánticos y primer autor del estudio.
*Los dispositivos lógicos electrónicos convencionales se basan en semiconductores no magnéticos y utilizan el flujo de cargas eléctricas para lograr el procesamiento y la comunicación de la información. Los dispositivos espintrónicos, por otro lado, aprovechan el espín de los electrones para generar y controlar corrientes de carga e interconvertir señales eléctricas y magnéticas. Al combinar procesamiento, almacenamiento, detección y lógica en una sola plataforma integrada, la espintrónica puede complementar y, en algunos casos, superar la electrónica basada en semiconductores, ofreciendo ventajas en términos de escalabilidad, consumo de energía y velocidad de procesamiento de datos.
La demostración se describe en el estudio “Room Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure” publicado en la revista científica Advanced Materials. Los autores del estudio son Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Sukanya Ghosh, Soheil Ershadrad, Rahul Gupta, Khadiza Ali, Anamul Md. Hoque, Bogdan Karpiak, Dmitrii Khokhriakov, Craig Polley, Balasubramanian Thiagarajan, Alexei Kalaboukhov, Peter Svedlindh, Biplab Sanyal y Saroj P. Dash.
Referencia: «Válvula giratoria a temperatura ambiente con ferromagneto de van der Waals Fe5GeTe2/heteroestructura de grafeno» por Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Sukanya Ghosh, Soheil Ershadrad, Rahul Gupta, Khadiza Ali, Anamul Md. Hoque, Bogdan Karpiak, Dmitrii Khokhriakov, Craig Polley, Balasubramanian Thiagarajan, Alexei Kalaboukhov, Peter Svedlindh, Biplab Sanyal y Saroj P. Dash, 15 de enero de 2023, Materiales avanzados.
DOI: 10.1002/adma.202209113
Los investigadores están activos en la Universidad Tecnológica de Chalmers, la Universidad de Uppsala y el laboratorio Max IV en la Universidad de Lund en Suecia.
El proyecto fue financiado por: European Union Graphene Flagship, Swedish Research Council, 2DTECH Vinnova Competence center, Wallenberg Initiative on Materials Science for a Sustainable World (WISE) y proyectos FLAG-ERA de la Unión Europea
