Los científicos han utilizado impulsos eléctricos para manipular información magnética y convertirla en una señal de luz polarizada, un descubrimiento que podría revolucionar las telecomunicaciones ópticas de larga distancia, incluso entre la Tierra y Marte.
El avance, descrito en un estudio publicado en Naturaleza, involucra el campo de la espintrónica, cuyo objetivo es manipular el espín de los electrones para almacenar y procesar información.
Los investigadores aplicaron un pulso eléctrico para transferir esta información de espín de los electrones a los fotones, las partículas que componen la luz, permitiendo que la información sea transportada a grandes distancias a gran velocidad. Su método cumple tres criterios cruciales (funcionamiento a temperatura ambiente, sin necesidad de campo magnético y capacidad de control eléctrico) y abre la puerta a una variedad de aplicaciones, incluidas la comunicación ultrarrápida y las tecnologías cuánticas.
“Durante décadas estuvimos soñando y prediciendo dispositivos espintrónicos a temperatura ambiente más allá de la magnetorresistencia y el simple almacenamiento de información. Con el descubrimiento de este equipo, nuestros sueños se hacen realidad”, afirma el coautor del estudio, Igor Žutić, profesor distinguido de física de SUNY en la Universidad de Buffalo.
El estudio fue dirigido por el Instituto Jean Lamour, una unidad conjunta del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia y la Universidad de Lorena. Otros contribuyentes representan universidades e institutos de Francia, Alemania, Japón, China y Estados Unidos.
Los dispositivos espintrónicos podrían sustituir a la electrónica convencional
En la espintrónica, que se ha utilizado con éxito en discos duros magnéticos de computadoras, la información está representada por el espín del electrón y, por su representante, la dirección de magnetización.
Los ferromagnetos, como el hierro o el cobalto, tienen un número desigual de electrones cuyos espines están orientados a lo largo o en contra del eje de magnetización. Los electrones con espín a lo largo de la magnetización viajan suavemente a través de un ferroimán, mientras que aquellos con orientación de espín opuesta rebotan. Esto representa información binaria, 0 y 1.
El cambio resultante de la resistencia es el principio clave de los dispositivos espintrónicos, cuyo estado magnético, que puede considerarse información almacenada, se mantiene indefinidamente. Así como un imán de nevera no necesita energía para permanecer pegado a la puerta, los dispositivos espintrónicos requerirían mucha menos energía que la electrónica convencional.
Sin embargo, de manera similar a sacar un pez del agua, la información del espín se pierde rápidamente y no puede viajar muy lejos cuando los electrones se sacan del ferroimán. Esta importante limitación puede superarse utilizando la luz a través de su polarización circular, también conocida como helicidad, como otro portador de espín.
Así como hace siglos los humanos usaban palomas mensajeras para transportar comunicaciones escritas más lejos y más rápido de lo que se podía hacer a pie, el truco consistiría en transferir el espín de los electrones a fotografías, el cuanto de luz.
Los Spin-LED cumplen tres criterios
La presencia de un acoplamiento espín-órbita, que también es responsable de la pérdida de información de espín fuera del ferroimán, hace posible dicha transferencia. El eslabón crucial que falta es entonces modular eléctricamente la magnetización y así cambiar la helicidad de la luz emitida.
“El concepto de LED giratorio se propuso por primera vez a finales del siglo pasado. Sin embargo, para la transición a una aplicación práctica, debe cumplir tres criterios cruciales: funcionamiento a temperatura ambiente, sin necesidad de campo magnético y capacidad de control eléctrico”, afirma el autor correspondiente del estudio, Yuan Lu, investigador principal del CNRS en el CNRS. Instituto Jean Lamour.
"Después de más de 15 años de trabajo dedicado en este campo, nuestro equipo colaborativo ha superado con éxito todos los obstáculos".
Los investigadores cambiaron con éxito la magnetización de un inyector de espín mediante un impulso eléctrico utilizando el par de la órbita de espín. El espín del electrón se convierte rápidamente en información contenida en la helicidad de los fotones emitidos, lo que permite una perfecta integración de la dinámica de magnetización con las tecnologías fotónicas.
Esta conversión de fotones de espín controlada eléctricamente se logra ahora en la electroluminiscencia de diodos emisores de luz. En el futuro, mediante la implementación en semiconductor Gracias a los diodos láser, los llamados láseres de espín, esta codificación de información altamente eficiente podría allanar el camino para una comunicación rápida a través de distancias interplanetarias, ya que la polarización de la luz puede conservarse en la propagación espacial, lo que podría convertirla en el modo de comunicación más rápido entre la Tierra y Marte.
También beneficiará enormemente al desarrollo de diversas tecnologías avanzadas en la Tierra, como la comunicación y la computación cuántica óptica, la computación neuromórfica para la inteligencia artificial, los transmisores ópticos ultrarrápidos y altamente eficientes para centros de datos o las aplicaciones Light-Fidelity (LiFi).
"La realización de inyectores de espín en órbita y par es un paso decisivo que avanzará enormemente en el desarrollo de láseres de espín ultrarrápidos y energéticamente eficientes para la próxima generación de tecnologías cuánticas y de comunicación óptica", dice el coautor Nils Gerhardt, profesor en la Cátedra de Fotónica y Terahercios Tecnología en la Universidad del Ruhr en Bochum.