Ingeniería de espín

La ingeniería de espín describe el control y la manipulación de sistemas de espín cuántico para el desarrollo de dispositivos y materiales. Esto incluye el uso de los grados de libertad de espín como sonda para fenómenos basados en el espín. Debido a la importancia fundamental del espín cuántico para los procesos físicos y químicos, la ingeniería de espín es relevante para una amplia gama de aplicaciones científicas y tecnológicas. Los ejemplos actuales abarcan desde la condensación de Bose-Einstein hasta el almacenamiento y la lectura de datos basados en espín en discos duros de última generación, así como desde potentes herramientas analíticas como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear y la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica hasta el desarrollo de moléculas magnéticas como cúbits y nanopartículas magnéticas . Además, la ingeniería de espín aprovecha la funcionalidad del espín para diseñar materiales con propiedades novedosas, así como para proporcionar una mejor comprensión y aplicaciones avanzadas de sistemas de materiales convencionales. Muchas reacciones químicas se diseñan para crear materiales a granel o moléculas individuales con propiedades de espín bien definidas, como un imán de una sola molécula . El objetivo de este artículo es proporcionar un resumen de los campos de investigación y desarrollo donde el enfoque está en las propiedades y aplicaciones del espín cuántico.

Introducción

Dado que el espín es una de las propiedades cuánticas fundamentales de las partículas elementales, resulta relevante para una amplia gama de fenómenos físicos y químicos. Por ejemplo, el espín del electrón desempeña un papel clave en la configuración electrónica de los átomos, que constituye la base de la tabla periódica de los elementos. El origen del ferromagnetismo también está estrechamente relacionado con el momento magnético asociado al espín y el principio de exclusión de Pauli, que depende del espín . Así, la ingeniería de materiales ferromagnéticos como los mu-metales o el Alnico a principios del siglo pasado puede considerarse un ejemplo temprano de ingeniería de espín, aunque el concepto de espín aún no se conocía en aquel entonces. La ingeniería de espín, en su sentido genérico, solo fue posible tras la primera caracterización experimental del espín en el experimento de Stern-Gerlach en 1922, seguida del desarrollo de la mecánica cuántica relativista por Paul Dirac . Esta teoría fue la primera en incorporar el espín del electrón y su momento magnético.

Si bien la física de la ingeniería de espín se remonta a los revolucionarios descubrimientos de la química y la física cuánticas en las primeras décadas del siglo XX, los aspectos químicos de la ingeniería de espín han recibido especial atención en los últimos veinte años. Actualmente, los investigadores se centran en temas especializados, como el diseño y la síntesis de imanes moleculares u otros sistemas modelo, con el fin de comprender y aprovechar los principios fundamentales que subyacen a fenómenos como la relación entre el magnetismo y la reactividad química, así como las propiedades mecánicas de los metales relacionadas con la microestructura y el impacto bioquímico del espín (por ejemplo, en las proteínas fotorreceptoras ) y el transporte de espín.

Campos de investigación de la ingeniería de espín

Espintrónica

La espintrónica consiste en el aprovechamiento tanto del espín intrínseco del electrón como de su carga electrónica fundamental en dispositivos de estado sólido, y forma parte, por lo tanto, de la ingeniería de espín. La espintrónica es probablemente uno de los campos más avanzados de la ingeniería de espín, con numerosos inventos importantes presentes en dispositivos de uso final, como los cabezales de lectura de los discos duros magnéticos. Esta sección se divide en fenómenos espintrónicos básicos y sus aplicaciones.

Fenómenos espintrónicos básicos

Magnetorresistencia gigante (GMR) , magnetorresistencia de túnel (TMR) , válvula de espín
par de transferencia de giro (STT)
Inyección de espín
corrientes de espín puro
Bombeo de espín ^{[ 1 ]}
Ondas de espín , magnónica
Efecto Hall de espín (inverso) ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}
Calóricas de espín, efecto Seebeck de espín ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Aplicaciones de la espintrónica

Esta sección está dedicada a las aplicaciones actuales y posibles futuras de la espintrónica que utilizan uno o la combinación de varios fenómenos espintrónicos básicos:

cabezales de lectura del disco duro
Memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva (MRAM)
Memoria de pista de carreras
Transistor de espín
computación cuántica de espín
Espintrónica basada en magnones ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Materiales de giro

Materiales cuyas propiedades están determinadas o fuertemente influenciadas por el espín cuántico:

Aleaciones magnéticas, es decir, compuestos de Heusler
Sistemas de grafeno
Materiales de hilado orgánico ^{[ 8 ]}
Nanomagnetos moleculares
Moléculas magnéticas
radicales orgánicos
Metamateriales con magnetismo artificial

Detección basada en el espín

métodos para caracterizar materiales y procesos físicos o químicos mediante fenómenos basados en el espín:

Efecto magnetoóptico Kerr ( MOKE )
Resonancia magnética nuclear ( RMN )
Dispersión de neutrones
fotoemisión polarizada por espín
Dispersión de luz de Brillouin (BLS)
Dicroísmo circular magnético de rayos X ( XMCD )

Referencias

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Enlaces externos

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Peter Grünberg (Premio Nobel de Física (2007)), "De las ondas de espín a la magnetorresistencia gigante (GMR) y más allá", Conferencia Nobel en formato PDF en nobelprize.org
Antecedentes científicos del descubrimiento de la magnetorresistencia gigante, recopilados por la Clase de Física de la Real Academia Sueca de Ciencias.
Animaciones de sensores GMR en la página principal de IBM Research.
Respuesta en vídeo de Albert Fert (Premio Nobel de Física (2007)) a la pregunta: "¿Qué es el espín?".
Creación de una corriente de espín pura en grafeno, artículo de Physorg.com

[1] Y Tserkovnyak; et al. (2002). "Amortiguación de Gilbert mejorada en películas ferromagnéticas delgadas". Physical Review Letters . 88 (11) 117601. arXiv : cond-mat/0110247 . Bibcode : 2002PhRvL..88k7601T . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.117601 . PMID 11909427 . S2CID 23781506 .

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[3] S Takahashi y S Maekawa (2008). "Corriente de espín, acumulación de espín y efecto Hall de espín*" . Ciencia y tecnología de materiales avanzados . 9 (1) 014105. Bibcode : 2008STAdM...9a4105T . doi : 10.1088 / 1468-6996/9/1/014105 . PMC 5099800. PMID 27877931 .

[4] JC Le Breton; et al. (2011). "Corriente de espín térmico de un ferromagneto a silicio por tunelización de espín de Seebeck". Nature . 475 (7354): 82– 85. Bibcode : 2011Natur.475...82L . doi : 10.1038/nature10224 . hdl : 11370/488062fd-07e0-4da6-bf4e-caba7307b3a0 . PMID 21716285 . S2CID 4422579 .

[5] K. Uchida; et al. (2011). "Efecto Seebeck de espín de largo alcance y bombeo acústico de espín". Nature Materials . 10 (10): 737– 741. arXiv : 1103.6120 . Bibcode : 2011NatMa..10..737U . doi : 10.1038/nmat3099 . PMID 21857673 . S2CID 118009611 .

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[7] Y Kajiwara; et al. (2010). "Transmisión de señales eléctricas por interconversión de ondas de espín en un aislante magnético". Nature . 464 (7286): 262– 266. Bibcode : 2010Natur.464..262K . doi : 10.1038/nature08876 . PMID 20220845 . S2CID 4426579 .

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