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.

Las Redes de Formación de la Unión Europea aúnan universidades, centros de investigación y empresas de varios países del mundo para formar a una nueva generación de investigadores. Esta subvención fomenta la excelencia científica y la innovación empresarial, así como las perspectivas de carrera de los investigadores mediante el desarrollo de sus habilidades emprendedoras, creativas e innovadoras.

Estas redes están dirigidas a la formación de jóvenes investigadores denominados ESR —Early Stage Resercher—, investigadores que no hayan obtenido el título de doctor y estén en sus primeros 4 años de investigación. En 2018, nanoGUNE acogerá cuatro investigadores ESR, quienes participarán en los proyectos QuESTech y HYCOAT en los grupos de Nanodispositivos y Nanomateriales de nanoGUNE, respectivamente. La convocatoria para solicitar alguna de estas cuatro becas está aún abierta en la página del centro www.nanogune.eu. Estos jóvenes investigadores se formarán en los campos de la electrónica cuántica y los recubrimientos híbridos.

QuESTech

El grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE participa en el proyecto “Quantum Electronics Science and Technology training”, con el acrónimo QuESTech, que creará una red europea de expertos para ofrecer una formación de vanguardia a jóvenes investigadores en el campo de la electrónica cuántica. El objetivo principal de este proyecto será construir, estudiar y clasificar los dispositivos electrónicos cuánticos. QuESTech formará 15 jóvenes investigadores en los subcampos de la espintrónica, electrónica única, puntos cuánticos y termodinámica cuántica. Los proyectos de investigación individuales incluirán desarrollos tecnológicos como el crecimiento de nanomateriales, nanoestructuración, microscopía de campo cercano, medición de transporte bajo condiciones extremas y cálculos teóricos. Varios de los resultados de QuESTech ya han sido identificados como de interés comercial para la emergente industria de la electrónica cuántica.

HYCOAT

Las películas delgadas de materiales híbridos diseñados a escala molecular pueden permitir avances en varias áreas relevantes como el envasado y encapsulado, la electrónica, las baterías y las aplicaciones biomédicas. La Deposición de Capa Molecular (MLD, Molecular Layer Deposition) es la técnica de deposición ideal para el crecimiento de películas híbridas ultradelgadas, uniformes y con un control preciso y flexible sobre el espesor de la película y la composición química a escala molecular. El objetivo de la Red Europea de Formación HYCOAT, en la que participa el grupo de Nanomateriales de nanoGUNE, está enfocada a crear un grupo de jóvenes investigadores bien formados que tengan un conocimiento profundo de todos los aspectos de la tecnología MLD, así como una amplia visión sobre el potencial de aplicación de los recubrimientos híbridos.

Según explica Jose María Pitarke, Director de nanoGUNE, “estos proyectos aportan prestigio internacional, tanto para el investigador predoctoral (que va a formarse en un grupo excelente) como para la institución de acogida (que recibe investigadores internacionales con uno de los programas de doctorado más competitivos de Europa)”. “Además —apunta Pitarke—, el hecho de formar parte de estos proyectos abre las puertas a otros proyectos futuros. Es un punto fuerte muy valorado por la Comisión Europea y los revisores a la hora de conceder financiación”. Por último, “permite establecer nuevas redes de contacto, beneficiosas para los jóvenes investigadores, ya que se establecen fuertes enlaces con las instituciones del consorcio, el cual puede continuar y aportar beneficios una vez acabado el programa”, añade.

En esta tesis se estudia el efecto Hall de espín, un efecto que ocurre en metales con acoplamiento espín-órbita y permite convertir corrientes de carga en corrientes de espín y viceversa. Estas conversiones son de gran interés tecnológico, ya que poseen potencial para ser usadas en el proceso de escritura de memorias magnéticas (como las MRAM) o en el de su lectura (como en circuitos lógicos basados en el espín, una reciente propuesta de Intel). En esta investigación se han desvelado los mecanismos que contribuyen a este efecto en algunos metales como el platino (Pt) o el tantalio (Ta), lo que ha permitido mostrar cómo aumentar la eficiencia de dicha conversión. También se ha combinado el platino (Pt) con grafeno para conseguir un dispositivo que convierte corrientes de espín en las de carga eficientemente.

El efecto Hall de espín está relacionado con el efecto Hall anómalo, conocido desde el siglo XIX pero poco entendido hasta hace poco. En la segunda parte de la tesis se ha evidenciado que en los materiales ferromagnéticos esta relación es más compleja de lo que se creía.

Edurne Sagasta

Edurne Sagasta estudió Fisica en la UPV/EHU y después de realizar el master en Nanociencia y Materiales Avanzados de esta misma universidad, comenzó su tesis doctoral en nanoGUNE. “Después de estudiar Física en la universidad, quería hacer algo que resultara más práctico. Al mismo tiempo, quería estar involucrada en algún proyecto con más gente, tener la oportunidad de visitar distintos laboratorios del mundo; en resumidas cuentas, comenzar un proyecto de investigación”, señala la investigadora. “Una vez finalizada la tesis doctoral, decidí dar el salto al mundo de la industria y actualmente estoy trabajando en la compañia Mondragon Assembly”, indica.

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.