Física
Solotrónica, hacia la electrónica con operaciones a la escala de 1 átomo
Se han creado y estudiado en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia en Polonia nuevos tipos de estructuras solotrónicas, incluyendo los primeros puntos cuánticos del mundo con iones individuales de cobalto. Los materiales y elementos empleados para formar estas estructuras permiten entrever nuevos avances en aplicaciones prácticas de la solotrónica, un campo naciente de la espintrónica, basada en operaciones llevadas a cabo en la escala de átomos individuales.
La meta final de la carrera de miniaturización que lleva décadas desarrollándose en la electrónica sería lograr sistemas electrónicos capaces de operar a la escala de 1 átomo. Es un objetivo muy ambicioso, aunque ahora mismo ya es posible controlar el comportamiento de átomos individuales a base de situarlos dentro de estructuras semiconductoras especiales; así se hace para formar puntos cuánticos que contienen iones magnéticos individuales. Hasta hace poco, se conocían sólo dos variantes de dichas estructuras. Sin embargo, unos físicos del Instituto de Física Experimental en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han creado con éxito y estudiado dos tipos totalmente nuevos de estructuras de esa clase. Los resultados de este trabajo de investigación y desarrollo permiten ya atisbar en el horizonte tecnológico el surgimiento de dispositivos solotrónicos con usos prácticos fuera del laboratorio.
Los puntos cuánticos son cristales semiconductores a escala nanométrica. Son tan diminutos que los electrones dentro de ellos existen sólo en estados con energías específicas. Como tales, los puntos cuánticos exhiben características similares a las de los átomos, y, como ellos, pueden ser estimulados con luz para alcanzar niveles de energía más altos. Recíprocamente, esto significa que emiten luz cuando regresan a estados con niveles de energía inferiores.
Los átomos con propiedades magnéticas alteran los niveles de energía de los electrones en un punto cuántico, lo que afecta a cómo interactúan con la luz. Como resultado de ello, el punto cuántico se convierte en un detector del estado de dicho átomo. La relación también funciona a la inversa: Cambiando los estados de energía de los electrones en los puntos cuánticos, se puede influir sobre los respectivos átomos magnéticos.
Las propiedades magnéticas más potentes se observan en átomos de manganeso despojados de dos electrones. En los experimentos llevados a cabo hasta el momento, los iones han sido montados en puntos cuánticos hechos de telururo de cadmio o arseniuro de indio. En 2009, utilizando puntos cuánticos de telururo de cadmio preparados por Piotr Wojnar en el Instituto de Física de la Academia Polaca de Ciencias, Mateusz Goryca de la Universidad de Varsovia demostró la primera memoria magnética que opera en un solo ion magnético.
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Imagen en corte transversal de puntos cuánticos. El color rojo marca un ion, de cobalto o manganeso, con propiedades magnéticas, simbolizadas por la flecha. El amarillo representa un punto cuántico, de telururo de cadmio o de arseniuro de indio, respectivamente. El azul indica la capa semiconductora que ciñe al punto cuántico. (Imagen: Facultad de Física de la Universidad de Varsovia)
Se creía que otros iones magnéticos, incluyendo de cobalto (Co2+), no se podían utilizar en los puntos cuánticos. El equipo de Piotr Kossacki, Wojciech Pacuski, Michal Papaj y Jakub Kobak decidió comprobarlo, y el resultado ha sido su desarrollo de dos nuevos sistemas con iones magnéticos individuales: Puntos cuánticos de telururo de cadmio con un átomo de cobalto, y puntos cuánticos de seleniuro de cadmio con un átomo de manganeso.
Aunque los átomos de manganeso exhiben las propiedades magnéticas más marcadas, desafortunadamente éstas son causadas por el núcleo atómico, así como por los electrones, lo que significa que los puntos cuánticos que contienen iones de manganeso son sistemas cuánticos muy intrincados. El descubrimiento realizado por los físicos de la Universidad de Varsovia demuestra que otros elementos magnéticos, tales como el cromo, el hierro y el níquel, pueden ser utilizados en lugar del manganeso. Estos elementos no tienen espín nuclear, lo que debería hacer que los puntos cuánticos que los contienen sean más fáciles de manipular.
En los puntos cuánticos donde el telurio se sustituye por el selenio, más ligero, los investigadores observaron que el periodo durante el cual la información fue conservada con éxito aumentó en un orden de magnitud. Este hallazgo sugiere que el uso de elementos más ligeros debería prolongar el tiempo durante el cual los puntos cuánticos que contienen iones magnéticos individuales almacenan la información, tal vez incluso en varios órdenes de magnitud. Esto supondría un paso importante hacia la computación cuántica práctica.
Información adicional
La meta final de la carrera de miniaturización que lleva décadas desarrollándose en la electrónica sería lograr sistemas electrónicos capaces de operar a la escala de 1 átomo. Es un objetivo muy ambicioso, aunque ahora mismo ya es posible controlar el comportamiento de átomos individuales a base de situarlos dentro de estructuras semiconductoras especiales; así se hace para formar puntos cuánticos que contienen iones magnéticos individuales. Hasta hace poco, se conocían sólo dos variantes de dichas estructuras. Sin embargo, unos físicos del Instituto de Física Experimental en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia han creado con éxito y estudiado dos tipos totalmente nuevos de estructuras de esa clase. Los resultados de este trabajo de investigación y desarrollo permiten ya atisbar en el horizonte tecnológico el surgimiento de dispositivos solotrónicos con usos prácticos fuera del laboratorio.
Los puntos cuánticos son cristales semiconductores a escala nanométrica. Son tan diminutos que los electrones dentro de ellos existen sólo en estados con energías específicas. Como tales, los puntos cuánticos exhiben características similares a las de los átomos, y, como ellos, pueden ser estimulados con luz para alcanzar niveles de energía más altos. Recíprocamente, esto significa que emiten luz cuando regresan a estados con niveles de energía inferiores.
Los átomos con propiedades magnéticas alteran los niveles de energía de los electrones en un punto cuántico, lo que afecta a cómo interactúan con la luz. Como resultado de ello, el punto cuántico se convierte en un detector del estado de dicho átomo. La relación también funciona a la inversa: Cambiando los estados de energía de los electrones en los puntos cuánticos, se puede influir sobre los respectivos átomos magnéticos.
Las propiedades magnéticas más potentes se observan en átomos de manganeso despojados de dos electrones. En los experimentos llevados a cabo hasta el momento, los iones han sido montados en puntos cuánticos hechos de telururo de cadmio o arseniuro de indio. En 2009, utilizando puntos cuánticos de telururo de cadmio preparados por Piotr Wojnar en el Instituto de Física de la Academia Polaca de Ciencias, Mateusz Goryca de la Universidad de Varsovia demostró la primera memoria magnética que opera en un solo ion magnético.
Imagen en corte transversal de puntos cuánticos. El color rojo marca un ion, de cobalto o manganeso, con propiedades magnéticas, simbolizadas por la flecha. El amarillo representa un punto cuántico, de telururo de cadmio o de arseniuro de indio, respectivamente. El azul indica la capa semiconductora que ciñe al punto cuántico. (Imagen: Facultad de Física de la Universidad de Varsovia)
Aunque los átomos de manganeso exhiben las propiedades magnéticas más marcadas, desafortunadamente éstas son causadas por el núcleo atómico, así como por los electrones, lo que significa que los puntos cuánticos que contienen iones de manganeso son sistemas cuánticos muy intrincados. El descubrimiento realizado por los físicos de la Universidad de Varsovia demuestra que otros elementos magnéticos, tales como el cromo, el hierro y el níquel, pueden ser utilizados en lugar del manganeso. Estos elementos no tienen espín nuclear, lo que debería hacer que los puntos cuánticos que los contienen sean más fáciles de manipular.
En los puntos cuánticos donde el telurio se sustituye por el selenio, más ligero, los investigadores observaron que el periodo durante el cual la información fue conservada con éxito aumentó en un orden de magnitud. Este hallazgo sugiere que el uso de elementos más ligeros debería prolongar el tiempo durante el cual los puntos cuánticos que contienen iones magnéticos individuales almacenan la información, tal vez incluso en varios órdenes de magnitud. Esto supondría un paso importante hacia la computación cuántica práctica.
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