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Tunnel junctions withmultiferroic barriers” Nature Materials, March 2007

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Prof. Josep Fontcuberta

La electrónica convencional está basada en transistores y diodos; en estos dispositivos la carga eléctrica fluye entre una entrada y una salida y nuestra capacidad de controlar el flujo de carga mediante la aplicación de campos eléctricos (la tensión) les confiere la funcionalidad que explotamos en los componentes electrónicos. Los electrones del material son los portadores de carga eléctrica.

Sin embargo, no todos los dispositivos electrónicos funcionan así. Algunos de los que usamos habitualmente, desde los cabezales de lectura de las memorias magnéticas de los discos duros de los ordenadores o de las memorias de algunas cámaras digitales o de los iPod, funcionan explotando una propiedad fundamental que la electrónica convencional no había usado hasta ahora. Se trata del espín. El espín es una propiedad intrínseca de los electrones, los portadores de carga eléctrica en metales y semiconductores. Haciendo un símil en el mundo macroscópico, podríamos decir que el espín es un pequeño imán, y cuya orientación magnética -como si de una brújula se tratara- se puede controlar a voluntad. Controlar simultáneamente el flujo de carga y la orientación del espín puede dar lugar a una nueva revolución en la electrónica y que ya ha adquirido nombre propio: la magnetoelectrónica.

Los dispositivos que hemos indicado más arriba han sido los primeros en llegar; es tremendamente relevante observar que desde el descubrimiento en 1988, de un fenómeno físico ligado al control de la carga y espín, que se denominó Magnetorresistencia Gigante (GMR), hasta su implementación en todos los discos duros del mercado pasaron escasamente unos 10 años y su uso ha hecho posible la enorme reducción de tamaño de los discos duros en los sistemas magnéticos de almacenamiento de información. Las uniones túneles magnéticas (MTJ) son el paso siguiente tanto en complejidad de fabricación pero también de nuevas funcionalidades. Estos dispositivos magnetoelectrónicos no sólo pueden servir como cabezales de lectura aun más pequeños, sino que también los podemos usar para almacenar información. Las fotografias de aquel viaje que tanto recordamos almacenadas como filas de “0” y “1” en memorias MTJ.

Las memorias MTJ están formadas por un sandwitch constituido por dos electrodos metálicos y magnéticos separados por una fina barrera de un óxido aislante. Las barreras son extraordinariamente finas, de pocos nanómetros (una diezmilésima parte de un cabello). La orientación relativa del vector magnetización en los electrodos (paralela o antiparalela) determina las resistencia eléctrica de la unión y en definitiva su estado: alta o baja resistencia, “0” o “1”. La respuesta de la unión MTJ es el cambio de resistencia La respuesta de las uniones MTJ está limitada por una propiedad intrínseca (P) de los metales que constituyen los electrodos y que en una escala de 0 a 100%, tiene un valor típico de aproximadamente P ~ 50%. Para obtener mejores MTJ hay que romper esta barrera y acercarse al P ~ 100% ideal. Hay un largo camino a recorrer y dado que la naturaleza no ofrece dichos materiales hay que inventarlos. Un forma posible es fabricando lo que se puede denominar un filtro de espin de tal forma que independientemente del valor de P en el electrodo de entrada, a la salida tengamos P= 100%.

Si los avances en crecimiento de capas nanométricas de materiales magnéticos ha permitido el desarrollo de la magnetoelectrónica, algo parecido ocurre con las láminas ferroeléctricas. Los materiales ferroeléctricos son aquellos que tienen una polarización eléctrica espontánea, es decir, en ellos la carga eléctrica no está uniformemente repartida, sino que cargas positivas y negativas se encuentran separadas y su distribución puede ser controlada mediante la aplicación de campos eléctricos adecuados. También estos materiales pueden servir para almacenar información en las denominadas Memorias Ferroeléctricas.

Aunque el magnetismo y la ferroelectricidad tienden a excluirse, se han descubierto unos pocos materiales que presenten ambos órdenes y que se conocen con el nombre de biferroicos. Dichos materiales por tanto, podrían ofrecer la posibilidad de explotar la doble funcionalidad (magnética y eléctrica) en un único dispositivo.

Una posible forma de explotar la multifuncionalidad seria fabricar una unión túnel con una barrera que fuera simultáneamente ferromagnética y ferroeléctrica. El reto es notable: hay muy pocos materiales que presenten este carácter biferroico y además es preciso que dichas propiedades permanezcan inalteradas al reducir el grosor de la capa a algunos nanómetros tal y como exige una barrera túnel.

 

En el trabajo que hemos publicado, esta semana en Nature Materials (Tunnel junctions withmultiferroic barriers), demostramos que es posible fabricar uniones túnel usando barreras multiferroicas. En este caso el material que se ha usado es BiMnO3 que es simultáneamente Ferromagnético y Ferroeléctrico. Se ha diseñado un dispositivo que actúa como filtro de espin. La estructura del dispositivo es muy simple: una barrera nanométrica de un material ferromagnético aislante que actúa como barrera túnel y como filtro de espin, se ha crecido entre un electrodo metálico no magnético, que actuará como inyector de electrones con P=0, y un electrodo analizador que determinará de la polarización P de salida, es decir el rendimiento del filtro y el cambio de resistencia eléctrica en función de la orientación relativa de la magnetización del electrodo analizador y de la barrera, que se controla con un campo magnético. Por otra parte, debido al carácter ferroeléctrico de la barrera, también su resistencia eléctrica depende del signo de la polarización eléctrica, la cual se controla con un campo eléctrico. Se tiene por tanto un dispositivo que tiene 4 estados posibles en un mismo chip.

 

Dicho dispositivo constituye la primera aplicación práctica de un material multiferroico en magnetoelectrónica. Los resultados que se han obtenido indican que es posible almacenar información magnética y eléctrica en un mismo dispositivo. Ello supone un avance en la densidad de información que podemos almacenar. Pero los resultados obtenidos van aun más lejos, pueden constituir el punto de partida hacia nuevos dispositivos lógicos de relevancia en la futura computación cuántica.

 

Los resultados que hemos incluido en Nature Materials, constituyen parte de la Tesis Doctoral de M. Gajek, realizada entre el Institut de Materiales de Barcelona-CSIC y la Unité Mixte de Physique CNRS-Thales en Orsay (Fracia) bajo la dirección de Josep Fontcuberta y Albert Fert. M. Bibes, que realizó también su Tesis Doctoral en el Institut de Materiales de Barcelona-CSIC (actualmente en el Instituto de Electronique Fondamentale (CNRS-Unive. Paris Sud)) y A. Barthélémy (Unité Mixte de Physique CNRS-Thales en Orsay (Fracia)) han seguido en detalle todos las etapas del trabajo. Algunos de los materiales usados fueron elaborados en el Dep. de Física Aplicada i Òptica de la U. de Barcelona, bajo la supervisión del Dr. M. Varela.

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