Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La espintrónica en nuestras vidas

Albert Fert es un científico francés (Carcassone, Francia, 1938), que chapurrea aceptablemente  el español, ha impartido varias conferencias en nuestro país y se declara admirador del cine de Almodóvar. Desarrolla su labor científica en la Universidad Paris-Sud de Orsay, cerca de París, donde dirige la unidad mixta de física CNRS/Thales desde 1995. Es considerado el padre de la espintrónica, "una ciencia bebé que está creciendo muy sana", y obtuvo  junto  al alemán Peter Grünbergel premio Nobel de Física del presente año. Ambos fueron descubridores independientes del fenómeno de la magnetorresistencia en 1988, aunque fue Grünberg el primero en patentar la novedad, que luego vendió a IBM.

Complementariamente, la revista SCIENCE ha considerado el avance de la aplicación de la espintrónica como uno de los diez hechos científicos más relevantes del 2007. Por ello, fieles a lo prometido en un artículo anterior, hoy nos ocuparemos de este tema que tanta repercusión tiene en nuestra vida práctica.

ESPIN
Como parte de los actos de la concesión el pasado día 8, el profesor Fert daba una conferencia en el Aula Magna de la Universidad de Estocolmo con presentación en Power Point- con la que tuvo algunas dificultades- insistiendo en el brillante presente y futuro de la espintrónica: "En pocos años habremos manipulado las microondas radiofónicas, las memorias de los ordenadores serán diferentes, los teléfonos móviles funcionarán por un sistema que consumirá muchísima menos energía, sus baterías durarán mucho más tiempo e incluso se podrán ver películas de alta definición en el iPod". La "espintrónica", entonces, "marcará un antes y un después en la ciencia", asegura. Incluso "ha sido toda una sorpresa también para el mundo de los negocios”. 

La espintrónica es una consecuencia del espín, una propiedad ligada al magnetismo y a la consideración cuántica relativista de los electrones. Hacia 1920 los científicos llegaron a la conclusión que para describir a los electrones en el átomo, además de los números cuánticos “clásicos”, se requería de un cuarto concepto, el llamado espín del electrón, derivado del hecho de que, aparte de su masa y carga eléctrica, los electrones rotan. El espín se representa con un vector y lleva asociado un diminuto campo magnético. Para un electrón (esfera) que gire de oeste a este, el vector apunta hacia el norte (arriba) y si gira de este a oeste el vector se dirige al sur (abajo). Por tanto, hay dos clases y dos valores de espín. Lo importante es que, en un campo magnético los electrones con diferente espín poseen diferente energía.

En un campo eléctrico ordinario los electrones se orientan aleatoriamente y el resultado final es que su orientación individual no influye en la corriente eléctrica. En los dispositivos espintrónicos la situación es bien diferente.

ESPINTRÓNICA  
La palabra espintrónica  es un neologismo derivado de los conceptos de "espín" y "electrónica" y se conoce también con el nombre de magnetoelectrónica. Un dispositivo espintrónico operaría con electrones polarizados, es decir, que todos ellos posean el mismo valor de espín y con sistemas capaces de ser sensibles a dicha polarización. En tal caso, un dispositivo espintrónico muy simple usando electrones "espín polarizados" podría permitir la transmisión de un par de señales por un único canal, produciendo una señal diferente para los dos valores posibles, duplicando así el ancho de banda del cable. Un paso más avanzado sería disponer de algún dispositivo que pudiese realizar algún tipo de procesamiento en la corriente, de acuerdo con los estados de los espines.

El método más simple conseguir electrones "espín polarizados" es hacer pasar una corriente a través de un material ferromagnético, un cristal único que filtra a los electrones de manera uniforme. Si en cambio se dispone el filtro frente a un transistor, éste se convertirá en un detector sensible a los espines. Si los dos campos magnéticos están alineados, entonces la corriente podrá pasar, mientras que si se oponen aumentará la resistencia del sistema, efecto conocido como magnetorresistencia gigante.

Probablemente el dispositivo espintrónico más exitoso hasta el momento haya sido la válvula espín, un dispositivo  con una estructura de capas de materiales magnéticos que muestra enorme sensibilidad a los campos magnéticos. Cuando uno de estos campos está presente, la válvula permite el paso de los electrones, pero en caso contrario sólo deja pasar a los electrones con un espín determinado. Existen algunas aplicaciones prácticas como algunos de los dispositivos magnetoelectrónicos comercializados , como las cabezas lectoras magnetorresistivas que utilizamos para leer la información almacenada magnéticamente en los discos duros de nuestros ordenadores o los sensores de posición de no contacto para automóviles, en el ámbito de la seguridad y comodidad.

Una aplicación espintrónica de gran trascendencia será la de los qubits espintrónicos. Todos sabemos que en los ordenadores cada bit tiene un valor definido: 0 ó 1. Ello significa (sistema de numeración de base 2) que con una serie de 8 bits se puede representar cualquier número desde el 0 al 255, pero una serie (00101110, por ejemplo) solo representa a un número cada vez.

Los 2 valores de espines electrónicos (“arriba” y “abajo”) podrían usarse como bits, con lo que los bits cuánticos o qubits podrían existir como superposición de 0 y 1, ser a la vez ambos números. Y 8 qubits pueden representar cada número de 0 a 255, pero simultáneamente. Ello puede dar lugar a una nueva generación de ordenadores (computación cuántica).

APLICACIONES
Desde hace años los científicos de IBM comprobaron que pequeñas alteraciones en las resistencias magnéticas aumentaban de manera exponencial la capacidad de los discos duros, permitiendo así, entre otras cosas, reducir el tamaño de los aparatos electrónicos.
Los dispositivos "espintrónicos" deben ser más rápidos y requerir menos energía que los dispositivos electrónicos tradicionales.

En un futuro próximo se comercializarán las memorias magnéticas no volátiles basadas en “uniones túnel magnéticas” de aplicación en las memorias RAM de ordenadores y en memorias para cámaras digitales, teléfonos móviles, etc.

Otro objetivo de la "espintrónica" es desarrollar semiconductores capaces de manipular el magnetismo de los electrones. Y los semiconductores se utilizan para fabricar microchips, que están en el corazón de todos los ordenadores y de muchos otros dispositivos electrónicos.

Según el Nobel Fert  "la investigación está abriendo muchas posibles vías "que incluso afectan al campo de la medicina -permite "detectar las biomoléculas" mediante procesos magnéticos”. Y Josep Fontcuberta, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona,  uno de los investigadores españoles que colabora con Fert ha señalado que lo que  Fert y Grünbert descubrieron hace casi 20 años está colocado en ordenadores desde hace 10, es decir, un salto al mercado "más rápido que el más rápido