La espintrónica es una rama de la física que busca aprovechar una propiedad cuántica de los electrones, el espín, para desarrollar una nueva generación de dispositivos electrónicos. Frente a la electrónica convencional, que utiliza principalmente la carga eléctrica de estas partículas para transportar y procesar información, la espintrónica pretende utilizar también su comportamiento magnético.
El objetivo va mucho más allá de conseguir dispositivos más pequeños. La investigación en este campo busca desarrollar una electrónica más rápida, eficiente y con un consumo energético mucho menor, una necesidad que gana importancia a medida que crece el uso de los centros de datos, la inteligencia artificial y las tecnologías digitales.
El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) participa en esta carrera tecnológica a través de distintos grupos que investigan nuevos materiales, dispositivos y fenómenos cuánticos. Entre ellos se encuentran equipos del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA-CSIC-Universidad de Zaragoza), del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y del Instituto Catalán de Nanociencia i Nanotecnología (ICN2).
En todos estos casos, la pregunta de fondo es similar: ¿se puede utilizar el espín de los electrones para construir una electrónica que consuma menos energía y ofrezca nuevas capacidades?
Qué es la espintrónica y por qué puede reducir el consumo energético
El espín es una propiedad cuántica intrínseca de los electrones. Aunque suele explicarse mediante la imagen de una diminuta brújula magnética, no se trata literalmente de que el electrón esté girando sobre sí mismo. Su comportamiento puede asociarse a un momento angular y a un momento magnético que permiten manipularlo mediante diferentes fenómenos físicos.
Esta propiedad abre una vía alternativa para transportar y procesar información.
“La espintrónica intenta conseguir una electrónica de bajo consumo utilizando el espín del electrón en lugar de su carga”, concreta José María de Teresa, investigador del INMA-CSIC-Universidad de Zaragoza y responsable del grupo Nanomidas.
“Este cambio de enfoque es muy importante actualmente, porque el consumo energético de la tecnología digital está creciendo de forma acelerada, impulsado por los centros de datos y la inteligencia artificial, lo que hace urgente encontrar soluciones más eficientes desde el punto de vista energético”, explica.
El grupo Nanomidas, especializado en nanofabricación avanzada, trabaja en la fabricación de dispositivos a escala nanométrica mediante haces focalizados de electrones e iones. Estas herramientas permiten modificar materiales y construir estructuras con una precisión extraordinaria, hasta alcanzar dimensiones de unos pocos nanómetros.
Uno de sus campos de investigación es precisamente la espintrónica. El grupo fabrica dispositivos capaces de generar corrientes de espín que posteriormente pueden transformarse en corrientes de carga, compatibles con la electrónica convencional. La corriente de carga es el flujo de electrones que circula por un conductor para alimentar un dispositivo conectado a un circuito.
Esta posibilidad de convertir unas corrientes en otras resulta fundamental para intentar integrar las nuevas tecnologías basadas en el espín con los sistemas electrónicos que ya utilizamos.
Pero la espintrónica ofrece otra ventaja especialmente interesante: la posibilidad de mantener la información almacenada sin necesidad de aportar energía continuamente.
“Al estar basados en materiales magnéticos, la información permanece y no es necesario estar alimentándola constantemente”, señala José María de Teresa. El investigador apunta a una transformación más profunda de la informática actual: “Además, hoy en día la computación y la memoria están separadas, pero con espintrónica se podrían obtener ambas cosas en el mismo dispositivo”.
Esta integración entre memoria y procesamiento recuerda, en cierto modo, al funcionamiento del cerebro, donde las redes neuronales almacenan y procesan información de manera simultánea. De ahí surge el interés por las tecnologías neuromórficas, que tratan de desarrollar sistemas capaces de procesar información de una manera más parecida a las redes neuronales biológicas.
Nanofabricación y superconductividad: controlar la materia átomo a átomo
La investigación del grupo Nanomidas no se limita a la espintrónica. Otra de sus líneas de trabajo se centra en la nanofabricación de dispositivos superconductores.
Mediante haces de iones focalizados, los investigadores pueden introducir un gas precursor que se descompone y permite formar materiales superconductores con una resolución de apenas unos nanómetros.
“Podemos concentrar un haz de iones de galio hasta unos cinco nanómetros y un haz de iones de helio por debajo de un nanómetro, y crear, por ejemplo, nanohilos superconductores con gran control”, explica De Teresa.
Los superconductores presentan una propiedad extraordinaria: bajo determinadas condiciones, pueden conducir corriente eléctrica sin resistencia. Esto los convierte en materiales de enorme interés para tecnologías que buscan reducir las pérdidas energéticas.
El potencial aumenta todavía más cuando estos materiales se combinan con materiales cuánticos topológicos, que presentan propiedades electrónicas singulares. En determinados aislantes topológicos, por ejemplo, el interior del material puede comportarse como aislante mientras que sus superficies presentan estados conductores.
El grupo del INMA trata de inducir superconductividad en estos materiales para estudiar nuevos fenómenos cuánticos. “Estamos intentando inducir superconductividad en aislantes topológicos para que aparezcan fermiones de Majorana”, señala De Teresa.
Los fermiones de Majorana son cuasipartículas cuya existencia y propiedades siguen siendo objeto de intensa investigación. Una de las razones de su interés es que podrían desempeñar un papel en determinadas propuestas para desarrollar formas más robustas de computación cuántica.
Así, la investigación del INMA se sitúa en la intersección entre nanofabricación, espintrónica, superconductividad y tecnologías cuánticas. El control de la materia a escala nanométrica permite estudiar fenómenos fundamentales y, al mismo tiempo, explorar dispositivos que podrían responder a las necesidades energéticas de la electrónica del futuro.
Magnetismo a escala atómica para una electrónica más eficiente
En el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), el investigador Can Onur Avci desarrolla otra línea de investigación relacionada con la espintrónica, los materiales magnéticos y los fenómenos cuánticos asociados al acoplamiento espín-órbita.
Su trabajo se centra en heteroestructuras formadas por diferentes materiales, incluidas películas ultrafinas. Cuando dos materiales se colocan juntos a escala nanométrica, la interfaz entre ellos puede generar propiedades que no aparecen de la misma manera en cada material por separado.
Estas heteroestructuras son relevantes en diferentes campos tecnológicos, desde los transistores de alta velocidad hasta las células fotovoltaicas y los dispositivos optoelectrónicos.
“Nuestra investigación busca entender y controlar cómo se mueven los electrones en materiales magnéticos muy pequeños —tan pequeños que solo tienen unos pocos átomos de grosor— e interactúan con el magnetismo en escalas atómicas”, explica Avci. “Los electrones tienen una propiedad llamada espín, que se comporta como una pequeña brújula magnética”, añade.
El objetivo de su grupo es aprovechar esta propiedad para almacenar, procesar y transportar información de forma más eficiente que mediante los mecanismos empleados por la electrónica convencional.
La espintrónica no es, en realidad, una tecnología completamente futurista. Ya ha tenido una influencia decisiva en la electrónica moderna. El descubrimiento de la magnetorresistencia gigante supuso un avance fundamental en este campo y fue reconocido con el Premio Nobel de Física de 2007. Este fenómeno permitió desarrollar sensores magnéticos diminutos y muy sensibles, que desempeñaron un papel importante en la evolución de las tecnologías de almacenamiento digital.
Ahora el objetivo es ir mucho más lejos: utilizar los fenómenos magnéticos y cuánticos para desarrollar memorias, sensores y circuitos lógicos de menor consumo energético.
El papel de la física cuántica en la espintrónica
La conexión entre espintrónica y física cuántica no es accidental. El espín es, en sí mismo, una propiedad cuántica del electrón, y muchos de los fenómenos que se estudian en estos dispositivos tienen su origen en la mecánica cuántica.
Entre ellos se encuentran el acoplamiento espín-órbita, los estados de pozo cuántico en estructuras multicapa y las interacciones magnéticas quirales.
Especialmente importantes son los fenómenos que aparecen en las interfaces entre distintos materiales. En estas regiones pueden producirse mecanismos capaces de convertir corrientes de carga en corrientes de espín, o modificar el comportamiento magnético utilizando señales eléctricas extremadamente pequeñas.
Esto abre una posibilidad especialmente atractiva: controlar el magnetismo utilizando cada vez menos energía.
Otro campo de interés son los aislantes magnéticos. En ellos, la información puede transportarse mediante excitaciones colectivas de los sistemas magnéticos conocidas como magnones, en lugar de depender directamente del movimiento de corrientes eléctricas.
“Nuestro equipo diseña y estudia materiales magnéticos ultrafinos en los que las corrientes eléctricas pueden conmutar y detectar la magnetización, generar nuevos estados magnéticos o transmitir información sin mover ninguna carga eléctrica”, explica Can Onur Avci.
Estos fenómenos constituyen una de las bases de la espintrónica y pueden contribuir al desarrollo de dispositivos más pequeños, rápidos y eficientes para la computación y el almacenamiento de datos.
Además, la investigación sobre aislantes magnéticos, interacciones quirales y fenómenos relacionados con el aprovechamiento energético del espín podría dar lugar a nuevos conceptos de dispositivos para la computación ultrarrápida o para transformar parte del calor residual en electricidad utilizable.
La motivación es evidente: si una parte de la electrónica del futuro pudiera realizar las mismas operaciones con un consumo energético mucho menor, también disminuiría la huella energética asociada al crecimiento de la computación.
Grafeno y materiales 2D: una nueva frontera para la espintrónica
Entre los materiales que concentran mayores expectativas se encuentran los materiales bidimensionales o materiales 2D. Son estructuras extremadamente delgadas, formadas por una sola capa de átomos o por unas pocas capas apiladas.
Desde el descubrimiento del grafeno, considerado el primer material 2D aislado, estos sistemas se han convertido en uno de los grandes campos de investigación de la nanoelectrónica.
En los materiales 2D, los electrones se mueven esencialmente en un plano, lo que puede dar lugar a propiedades y fenómenos físicos diferentes de los que aparecen en materiales convencionales. Además, es posible combinar diferentes capas para construir estructuras artificiales con propiedades diseñadas.
Esta capacidad de realizar una auténtica ingeniería de materiales a escala atómica resulta especialmente interesante para la espintrónica.
En este ámbito trabaja el grupo de Física e Ingeniería de los Nanodispositivos del Instituto Catalán de Nanociencia i Nanotecnología (ICN2), donde desarrolla su investigación el científico del CSIC Juan F. Sierra.
Sus líneas de trabajo se centran en comprender, explotar y modificar el espín de los electrones en sistemas 2D con el objetivo de diseñar nuevos dispositivos nanoelectrónicos.
Heteroestructuras de van der Waals: más allá del grafeno
El grafeno ha sido el material insignia de esta familia. Está formado por una sola capa de átomos de carbono organizados en una red hexagonal, similar a un panal de abeja. Esta estructura le proporciona propiedades excepcionales, como flexibilidad, resistencia y una elevada movilidad electrónica.
Además, el grafeno presenta una característica especialmente interesante para la espintrónica: el espín puede conservarse de manera muy eficiente durante el transporte de los electrones.
Esto está relacionado con su débil acoplamiento espín-órbita. Dicho de forma sencilla, el movimiento de los electrones y su espín tienen una capacidad relativamente pequeña para influirse mutuamente.
Esta propiedad convierte al grafeno en un excelente material para transportar información mediante el espín. Pero también representa una limitación: si el acoplamiento espín-órbita es demasiado débil, resulta más difícil manipular ese espín, algo imprescindible para construir dispositivos funcionales.
La solución que investigan los científicos pasa por combinar el grafeno con otros materiales 2D.
Aquí aparecen las llamadas heteroestructuras de van der Waals, formadas al apilar diferentes materiales ultradelgados como si fueran piezas de LEGO. Las capas se mantienen unidas mediante fuerzas relativamente débiles, conocidas como fuerzas de van der Waals.
Estas estructuras pueden presentar además los llamados efectos de proximidad, mediante los cuales las propiedades de un material pueden modificar las de otro cuando ambos están en contacto.
Incluso el ángulo relativo entre las capas puede alterar las propiedades de la estructura resultante. De este modo, los investigadores disponen de nuevas herramientas para diseñar materiales con características que no presentan por separado.
Como explica Juan F. Sierra: “Un buen ejemplo de materiales complementarios al grafeno son los dicalcogenuros de metales de transición (DMT). Estos materiales son muy sensibles a la luz y poseen un fuerte acoplamiento espín-órbita, que en contacto con el grafeno puede transferirse parcialmente a este. Esto facilita el control de las corrientes de espín y ajustar la distancia a la que se propagan en función de su orientación. Además, son muy útiles para desarrollar los llamados dispositivos optoespintrónicos, en los que se combinan los efectos de la luz y del espín, y así conseguir nuevas funcionalidades”.
La combinación de grafeno y dicalcogenuros de metales de transición abre así la puerta a dispositivos en los que luz y espín puedan trabajar conjuntamente.
No obstante, la variedad de fenómenos físicos que aparecen en estos sistemas híbridos grafeno/DMT es enorme y la investigación se encuentra todavía en una etapa inicial. Comprender estos mecanismos será esencial para determinar cuáles pueden transformarse realmente en tecnologías útiles.
El gran reto: generar, transportar y manipular el espín
El siguiente paso es conseguir un control cada vez mayor sobre las corrientes de espín. En este contexto, el grupo de Juan F. Sierra estudia cómo generar, transportar y manipular el espín en sistemas 2D y en sus heteroestructuras.
“En combinaciones grafeno/TMD no solo somos capaces de modificar la distancia de propagación de las corrientes de espín, sino que además podemos generar nuevas orientaciones de estas a través de la estimulación con la luz”, explica el investigador.
El objetivo es mejorar la eficiencia del transporte de espín y, al mismo tiempo, encontrar mecanismos que permitan controlarlo con precisión.
“Nuestro objetivo es identificar los mecanismos clave del transporte de espín, mejorar su eficiencia y, al mismo tiempo, lograr controlarlo en estos sistemas híbridos”, señala Sierra.
Conseguirlo podría ser decisivo para desarrollar nuevas tecnologías optoespintrónicas, capaces de combinar las posibilidades de la luz con las del espín.
¿Cuándo llegará la espintrónica a la tecnología cotidiana?
La espintrónica ya forma parte de algunas tecnologías actuales, especialmente a través de sensores y dispositivos magnéticos. Sin embargo, las aplicaciones más ambiciosas todavía necesitan investigación y desarrollo.
Algunas posibilidades, como los sensores magnéticos mejorados o determinados elementos de memoria de bajo consumo, podrían materializarse en un horizonte de unos 5 a 10 años. Otras propuestas, como la computación no convencional basada en el espín —incluidas la computación neuromórfica y la computación probabilística—, requieren desarrollos más prolongados.
El interés por estas tecnologías aumenta en un momento en el que la demanda de capacidad de cálculo no deja de crecer. La expansión de la inteligencia artificial, los centros de datos y los servicios digitales está convirtiendo el consumo energético de la computación en uno de los grandes retos tecnológicos.
El trabajo desarrollado en el ICMAB combina descubrimiento de materiales, fabricación de dispositivos y técnicas avanzadas de medida. Los investigadores cultivan películas magnéticas ultrafinas, a menudo de apenas unos nanómetros de grosor, mediante técnicas especializadas. Después las transforman en micro- y nanodispositivos utilizando instalaciones de sala blanca.
Finalmente, estudian sus propiedades mediante métodos eléctricos, magnéticos y magnetoópticos, muchas veces a escalas extremadamente pequeñas.
Todo ello forma parte de una carrera científica cuyo objetivo no es únicamente conseguir una electrónica más pequeña, sino cambiar la manera en la que la información puede almacenarse, transportarse y procesarse.
“Avanzar hacia este futuro sostenible requerirá un enfoque inter- y multidisciplinario que combine conocimientos de distintas áreas científicas y tecnológicas. Del mismo modo, será fundamental contar con inversiones públicas y privadas que apoyen tanto la creación de nuevos materiales y dispositivos como la formación de la masa crítica de investigadores y profesionales que harán realidad estas soluciones”, según Avci.
La espintrónica se encuentra así en una encrucijada en la que convergen física cuántica, magnetismo, nanotecnología, materiales 2D, superconductividad y computación. Su promesa es ambiciosa: aprovechar propiedades que ya existen en la materia para construir dispositivos capaces de hacer más con menos energía.
El desafío ahora es transformar esos fenómenos que hoy se estudian en laboratorios en tecnologías que puedan formar parte de la electrónica del futuro.
