Un equipo de físicos descubrió un método de detección eléctrica para ondas electromagnéticas de terahercios, que son extremadamente difíciles de detectar. El descubrimiento podría ayudar a miniaturizar el equipo de detección en microchips y mejorar la sensibilidad.
Terahercios es una unidad de frecuencia de onda electromagnética: un gigahercio equivale a mil millones de hertzios; 1 terahercio es igual a 1,000 gigahercios. Cuanto mayor es la frecuencia, más rápida es la transmisión de información. Los teléfonos celulares, por ejemplo, funcionan a unos pocos gigahercios.
El hallazgo, informado hoy en Naturaleza , se basa en un fenómeno de resonancia magnética en materiales anti-ferromagnéticos. Dichos materiales, también llamados antiferromagnéticos, ofrecen ventajas únicas para aplicaciones de dispositivos a nanoescala ultrarrápidos y basados en espín.
Los investigadores, dirigidos por el físico Jing Shi de la Universidad de California, Riverside, generaron una corriente de espín, una cantidad física importante en espintrónica, en un antiferromagnet y pudieron detectarla eléctricamente. Para lograr esta hazaña, utilizaron radiación de teraherciospara bombear resonancia magnética en cromia para facilitar su detección.
En los ferromagnetos, como un imán de barra, los espines de electrones apuntan en la misma dirección, hacia arriba o hacia abajo, proporcionando así resistencia colectiva a los materiales. En los antiferromagnéticos, la disposición atómica es tal que los espines de electrones se cancelan entre sí, con la mitadde los giros apuntando en la dirección opuesta de la otra mitad, ya sea hacia arriba o hacia abajo.
El electrón tiene un momento angular de espín incorporado, que puede precesar de la misma manera que un trompo precesiona alrededor de un eje vertical. Cuando la frecuencia de precesión de los electrones coincide con la frecuencia de las ondas electromagnéticas generadas por una fuente externa que actúa sobre los electrones, magnéticala resonancia ocurre y se manifiesta en forma de una señal muy mejorada que es más fácil de detectar.
Para generar dicha resonancia magnética, el equipo de físicos de UC Riverside y UC Santa Bárbara trabajó con 0.24 terahercios de radiación producida en las instalaciones de Terahertz del Instituto de Ciencia y Tecnología de Terahertz en el campus de Santa Bárbara. Esto coincidía estrechamente con la frecuencia de precesiónde electrones en cromia. La resonancia magnética que siguió resultó en la generación de una corriente de espín que los investigadores convirtieron en un voltaje de CC.
"Pudimos demostrar que la resonancia antiferromagnética puede producir un voltaje eléctrico, un efecto espintrónico que nunca antes se había hecho experimentalmente", dijo Shi, profesor del Departamento de Física y Astronomía.
Shi, quien dirige el Centro de Investigación de Energía Fronteriza financiado por el Departamento de Energía, Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, o SHINES, en UC Riverside, explicó que la radiación subteraherz y teraherz es un desafío para detectar. La tecnología de comunicación actual utiliza microondas gigahercios.
"Sin embargo, para un mayor ancho de banda, la tendencia es avanzar hacia microondas de terahercios", dijo Shi. "La generación de microondas de terahercios no es difícil, pero su detección sí lo es. Nuestro trabajo ahora ha proporcionado una nueva vía para la detección de terahercios en unchip."
Aunque los antiferromagnetos no son interesantes desde el punto de vista estadístico, son dinámicamente interesantes. La precesión del giro de electrones en los antiferromagnetos es mucho más rápida que en los ferromagnetos, lo que da como resultado frecuencias de dos a tres órdenes de magnitud más altas que las frecuencias de los ferromagnetos, lo que permite una transmisión de información más rápida.
"La dinámica de centrifugado en los antiferromagnéticos se produce a una escala de tiempo mucho más corta que en los ferromagnetos, lo que ofrece beneficios atractivos para posibles aplicaciones de dispositivos ultrarrápidos", dijo Shi.
Los antiferromagnetos son ubicuos y más abundantes que los ferromagnetos. Muchos ferromagnetos, como el hierro y el cobalto, se vuelven antiferromagnéticos cuando se oxidan. Muchos antiferromagnetos son buenos aislantes con baja disipación de energía. El laboratorio de Shi tiene experiencia en la fabricación de aisladores ferromagnéticos y antiferromagnéticos.
El equipo de Shi desarrolló una estructura bicapa compuesta de cromia, un aislante antiferromagnético, con una capa de metal en la parte superior que sirve como detector para detectar señales de cromia.
Shi explicó que los electrones en cromia permanecen locales. Lo que cruza la interfaz es información codificada en los espines de precesión de los electrones.
"La interfaz es crítica", dijo. "También lo es la sensibilidad al giro".
Los investigadores abordaron la sensibilidad al espín centrándose en el platino y el tantalio como detectores de metales. Si la señal de cromia se origina en espín, el platino y el tantalio registran la señal con polaridad opuesta. Sin embargo, si la señal es causada por el calentamiento, ambos metales registran elseñal con polaridad idéntica.
"Esta es la primera generación y detección exitosa de corrientes de espín puro en materiales antiferromagnéticos, que es un tema candente en la espintrónica", dijo Shi. "La espintrónica antiferromagnética es un foco principal de SHINES".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Original escrito por Iqbal Pittalwala. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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