El investigador de CIC nanoGUNE Miguel M. Ugeda, del grupo Nanoimagen, ha participado en un estudio internacional, junto con investigadores de la Universidad de Stanford y de la Universidad de California en Berkeley, en el que han demostrado experimentalmente el efecto llamado "Hall cuántico de spin" en un material bidimensional. Los materiales que presentan este fenómeno se denominan “aislantes topológicos” y, desde que fueron predichos teóricamente en 2005, solo se han encontrado en la naturaleza unos pocos ejemplos en dos dimensiones, y ninguno de ellos de utilidad práctica. La revista científica Nature Physics, de reconocido prestigio internacional, se ha hecho eco de los resultados obtenidos en esta investigación.

Ugeda ve un futuro prometedor a este tipo de materiales en espintrónica, una rama incipiente de la electrónica cuyo objetivo es la manipulación y control del espín del electrón como portador de información. La ventaja de aprovechar el espín del electrón, que es una propiedad intrínseca del mismo, se refleja en el aumento de la información transmitida ya que, a diferencia de su carga electrónica, el espín puede tomar dos valores opuestos, “up” y “down”. Los dispositivos espintrónicos podrían transportar mayor cantidad de datos de manera mucho más fluida, con una menor demanda de potencia y menor acumulación de calor.

El material investigado está compuesto de wolframio y telurio. El wolframio es un elemento químico descubierto en 1783 por los hermanos Elhuyar en Bergara (Gipuzkoa); un metal utilizado para muchísimas aplicaciones, desde los filamentos de las lámparas eléctricas a las puntas de bolígrafos. Combinando átomos de este metal con átomos de telurio en tan solo tres capas atómicas, han encontrado el primer material aislado bidimensional con propiedades topológicas, es decir, aislante eléctrico en el interior y conductor en sus bordes. “El flujo de electrones en los bordes en este tipo de material resulta estar ligado al espín (“up” y “down”) de cada electrón; sorprendentemente los electrones de espín opuesto se mueven en sentido contrario a lo largo de los bordes. Por tanto, se pueden generar corrientes con un spin definido en una dirección o en otra. Los canales o carriles del borde del material se pueden imaginar como una carretera de doble sentido en la que los electrones “up” van en una dirección y los “down” en la otra. Y no puede ser de otra manera”, explica Miguel M. Ugeda.

Por otra parte, cabe destacar que debido a las propiedades topológicas de este material la corriente eléctrica debería ser insensible a la contaminación e impurezas que pueda haber en el material, algo que distingue a los aislantes topológicos de materiales conductores convencionales. Otra ventaja añadida es que el material en cuestión “es estable químicamente y realmente sencillo de sintetizar. Además se puede combinar con otros materiales bidimensionales a modo sándwich para diseñar materiales artificiales con propiedades “a la carta” para cualquier aplicación específica”, añade el investigador.

Un grupo de investigación internacional dirigido por el investigador Ikerbasque Luis Hueso —líder del grupo de Nanodispositivos de CIC nanoGUNE—, en el que participan científicos de la Academia de Ciencias China, del Instituto Max Planck (Alemania) y del propio nanoGUNE, ha desarrollado una célula fotovoltaica en la que por primera vez se utilizan materiales magnéticos como electrodos para proporcionar corriente. La prestigiosa revista científica Science ha dado a conocer los resultados de esta investigación, que, en opinión de Luis Hueso, “abre una nueva vía para convertir luz en electricidad de forma más eficiente”.

Según explica el investigador de nanoGUNE, “el dispositivo es simplemente una célula fotovoltaica fabricada con un material orgánico —fullereno C60— y electrodos magnéticos de cobalto y de níquel”. El fullereno C60, conocido como Buckyball, es una molécula con forma de balón formada por 60 átomos de carbono. Por otro lado, los electrodos magnéticos producen corriente con una propiedad añadida llamada espín. La combinación de ambos no es casual, ya que el fullereno es conocido por ser un material fotovoltaico que podría permitir controlar la orientación del espín. El uso y control de esta propiedad permite aumentar la eficiencia de la célula solar, que es así capaz de generar una mayor corriente. Según explica Hueso, “las células solares habituales tienen los espines ‘desordenados’ y nosotros, gracias al magnetismo, hemos conseguido ‘ordenarlos’ de forma que una mayor corriente pueda ser recogida”. Los investigadores han comprobado que el uso de este tipo de electrodos incrementa un 14 % la eficiencia fotovoltaica del dispositivo.

El dispositivo tiene otra ventaja añadida, ya que ha demostrado ser capaz de generar directamente corriente alterna, mucho más útil en aplicaciones que la corriente continua que generan las células solares habituales, ya que no requiere del uso de transformadores. “La inversión de corriente se produce en el propio dispositivo cuando los electrones creados por la luz interaccionan con los contactos magnéticos que tienen los espines ‘ordenados’”, explica Hueso.

Si bien es cierto que los investigadores han demostrado que el uso de electrodos magnéticos permite aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas, sostienen que todavía están lejos de conseguir una célula fotovoltaica óptima. Con ese objetivo están trabajando en la construcción de dispositivos similares utilizando materiales orgánicos que ya han demostrado ser más eficientes que el fullereno. El investigador afirma que “en el futuro será posible construir un dispositivo comercial que actúe como módulo solar y produzca corriente alterna directamente”.

Este trabajo es el resultado de una investigación financiada por el Gobierno Vasco, por el Ministerio de Economía y Competitividad de España y por la Unión Europea a través del European Research Council.

SPEAR ha sido seleccionado por la Comisión Europea para su financiación dentro de su programa ITN. El proyecto, de 4 años de duración, recibirá cerca de 4 millones de euros con los que se financiará, principalmente, la contratación y formación de alto nivel de 15 investigadoras e investigadores predoctorales. SPEAR está liderado por Fèlix Casanova, investigador Ikerbasque del grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE.

“El objetivo de la investigación es buscar nuevos materiales con un fuerte acoplamiento espín-órbita, estudiar nuevos fenómenos asociados a estos materiales y desarrollar dispositivos basados en estos fenómenos para la próxima generación de memorias y procesadores para computacion”, señala el responsable del proyecto en nanoGUNE. “A diferencia de la memoria RAM convencional, en la próxima generación de memorias, tales como las MRAM (Magnetic Random Access Memory), los datos no se almacenan como carga eléctrica o flujos de corriente, sino por medio de elementos de almacenamiento magnético. Asimismo, tenemos varias tecnologias candidatas a sustituir los actuales microprocesadores con transistores de silicio, tales como la lógica con espín o lógica MESO, el aprendizaje automático o la computación neuromórfica, que se beneficiarían de estos nuevos materiales”, añade Fèlix Casanova.

GEFES celebrará la entrega de premios en julio del 2015, durante el simposio que organizará en la 25º Bienal de la Real Sociedad Española de Física que se celebra en Gijón (España). También ha sido premiado en esta edición Alejandro Manjavacas con el galardón a la Mejor Tesis Teórica por su projecto sobre “La interacción de la materia lumínica en la nano escala”, desarrollado en el Centro de Química Física "Rocasolano".

La tesis de Marco Gobbi describe la fabricación y caracterización de dispositivos espintrónicos basados en la combinación de capas finas de metales ferromagnéticos y moléculas de fullereno C60. Se centra en dos dispositivos espintrónicos basados en el C60: las válvulas de espín y los transistores magnéticos de efecto túnel. Concluye con la descripción de un dispositivo que permite un estudio más avanzado del transporte de espines en el fullereno C60.

_{Gorka Azkune, Ostaizka Aizpurua, Amaia Portugal and Estitxu Villamor, vencedores de los Premios CAF-Elhuyar. Imagen: Iñigo Ibañez - Zientzia.eus}

Entre las categorías y subcategorías existentes en los premios, está la categoría de artículos de divulgación basados en tesis doctorales. Precisamente, han hecho mención especial al artículo de Estitxu Villamor titulado "Karga-garraiorik gabeko elektronika berria" (La nueva electrónica sin transporte de carga), ya que el jurado ha considerado digno de mención "el esfuerzo de la autora del artículo por exponer el tema de manera comprensible y atractiva, máxime tratándose de una cuestión muy técnica".

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Villamor defendió su tesis, titulada Injection, transport and manipulation of pure spin currents in metallic lateral spin valves, en diciembre de 2014.