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» » » Espines nucleares que controlan corrientes eléctricas

Referencia: PhysicsWord.com .
por Katherine Kornei, 23 de septiembre 2014

Un equipo internacional de físicos ha demostrado que la información almacenada en los espines nucleares de los isótopos de hidrógeno de un LED orgánico (OLED) se puede leer midiendo la corriente eléctrica que pasa a través del dispositivo. A diferencia de los esquemas anteriores que sólo funcionaban a temperaturas ultra-frías, este es el primero en operar a temperatura ambiente, por lo que podría ser utilizado para crear dispositivos de memoria extremadamente densa y de alta eficiencia energética.

Christoph Boehme, físico de la Universidad de Utah, insertando un OLED en un espectrómetro (Cortesía: Lee J Siegel/University of Utah)
Debido a la creciente demanda de dispositivos electrónicos más potentes y cada vez más pequeños, los físicos están tratando de desarrollar semiconductores más eficientes y dispositivos de almacenamiento de datos de alta densidad. Motivados por el hecho de que los semiconductores de silicio tradicionales son susceptibles a pérdidas de energía significativas a través del calor residual, se está investigando el uso de semiconductores orgánicos. Estas son películas orgánicas delgadas colocadas entre dos conductores que prometen ser más eficientes energéticamente que los semiconductores de silicio. Además, la disponibilidad de muchos tipos diferentes de esta clase películas podría ayudar a los físicos a optimizar la eficiencia de estos dispositivos.

Chip y espín


El almacenamiento de datos en los chips de memoria convencionales se hacen en forma de carga eléctrica. El movimiento de la carga alrededor del chip genera una gran cantidad de calor residual que debe ser disipada, lo que hace difícil miniaturizar los componentes y también reduce la vida de la batería. Un enfoque alternativo es el de almacenar la información en los espines de los electrones o en los núcleos atómicos con spin-up correspondiente a "1" y spin-down a "0", por ejemplo. Esto podría dar lugar a una memoria mucho más densa y más eficiente energéticamente que la de los dispositivos que se utilizan hoy en día.

Los núcleos atómicos son particularmente atractivos para almacenar datos, ya que sus espines tienden a estar bien protegidos del ambiente circundante. Esto significa que podrían alcanzar los tiempos de almacenamiento en varios minutos, lo cual significa que son miles de millones de veces más de lo que es posible con los electrones. El reto, sin embargo, es cómo leer y escribir datos en estos elementos tan minúsculos.

Ahora, Christoph Boehme, y sus colegas de la Universidad de Utah, junto con John Lupton de la Universidad de Regensburg, e investigadores de la Universidad de Queensland, han demostrado que el flujo de la corriente eléctrica en un OLED puede ser modulada mediante el control de los espines de los isótopos de hidrógeno del dispositivo. "La corriente eléctrica en un dispositivo semiconductor orgánico está fuertemente influenciada por los espines nucleares de hidrógeno, el cual es abundante en los materiales orgánicos", explica Lupton. El equipo ha demostrado que la corriente que fluye a través de un polímero plástico OLED puede ser ajustado con precisión, lo que sugiere que los OLED de bajo costo se pueden utilizar como eficientes semiconductores.

Tan sólo MRI

Boehme y su equipo aplicaron un pequeño campo magnético a su OLED de prueba, que es el que crea una diferencia de energía entre las orientaciones de los espines de protones y núcleos de deuterio (ambos son isótopos de hidrógeno). Luego, utilizaron señales de radiofrecuencia para alterar las direcciones de los susodichos espines, en un proceso que también se hace durante el experimento de resonancia magnética nuclear (RMN).

Los cambios en los espines nucleares afectan a los espines de los electrones cercanos, y esto se traduce en cambios en la corriente eléctrica. Las fuerzas magnéticas entre los espines nucleares y los electrones son millones de veces más pequeños que las fuerzas eléctricas necesarias para causar un cambio similar en la corriente. Esto sugiere que el efecto podría ser usado para crear memorias en los semiconductores de bajo consumo.

Este reciente trabajo es la consecuencia de unas investigaciones realizadas en 2010, cuando Boehme y sus colegas mostraron que esta técnica podría ser utilizada para controlar la corriente de un dispositivo fabricado a partir de silicio dopado con fósforo. Sin embargo, esto sólo era posible en presencia de fuertes campos magnéticos y a temperaturas en un rango de unos pocos grados del cero absoluto. Tales condiciones son poco prácticas para los dispositivos comerciales, pero el dispositivo basado en OLED no necesita temperaturas ultra frías ni grandes campos magnéticos.

Tiempo para relajarse

"En los semiconductores orgánicos, el tiempo de relajación del espín no cambia significativamente con la temperatura", explica Lupton. "Al contrario, el tiempo de relajación del espín del silicio dopado con fósforo se incrementa significativamente cuando se baja la temperatura, de modo que tales experimentos tuvieron que ser llevado a cabo a bajas temperaturas y en altos campos magnéticos."

El equipo cree que su técnica también puede funcionar con otros núcleos de espín distinto a cero, con algunas limitaciones. "Dado que los protones y núcleos de deuterio son dos isótopos del hidrógeno, que además, pueden ser intercambiados en la síntesis sin cambiar la estructura química del polímero, lo cual puede no ser posible con otros tipos de núcleos", indica Lupton. "El Tritio, el tercero de los isótopos de hidrógeno, es radiactivo, por lo que no sería muy beneficioso en los experimentos."


- Fuente: Science.
- Imagen: Christoph Boehme, físico de la Universidad de Utah, insertando un OLED en un espectrómetro (Cortesía: Lee J Siegel/University of Utah)
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