Memoria científica

PI2-ICMA
Título del proyecto: Conversión de corriente de espín en corriente eléctrica
mediante la interfase Bi/Ag
Nombre del supervisor: José María De Teresa
Memoria científica
Recientemente, mediante una colaboración con el Profesor Fert (premio Nobel de Física por el descubrimiento
de la Magnetorresistencia Gigante en 2007) y el Dr. Vila (investigador del CEA, Grenoble), hemos descubierto las
extraordinarias prestaciones de la interfase Bi/Ag para convertir una corriente de espín en corriente eléctrica
mediante la interfase Bi/Ag [J.C. Rojas Sánchez, L. Vila, G. Desfonds, S. Gambarelli, J.P. Attané,J. M. De Teresa, C.
Magén, A. Fert,Spin to charge conversión using Rashba coupling at the interface between non-magnetic
materials, Nature Communications 4, 3944 (2013)]. La corriente de espín se ha creado mediante bombeo de
espín con microondas en una heteroestructura Bi/Ag/NiFe. Los resultados obtenidos se han podido explicar
mediante el efecto inverso Rashba-Edelstein, que tiene como ingredientes la existencia en la interfase Bi/Ag de
una notable interacción espín-órbita (debida al Bi) y un gradiente de potencial eléctrico debido a la disimilitud
de ambos materiales, Bi y Ag. Estos experimentos han sido posibles gracias a la experiencia previa que
generamos en el material bismuto durante la tesis doctoral de la Dr. Soraya Sangiao y a su investigación
posterior que ha mostrado que es posible separar las contribuciones de efecto Hall de espín inverso y efecto
Rashba-Edelstein inverso en el sistema Fe/Bi/Ag.
En este Trabajo Fin de Máster proponemos la realización de experimentos adicionales, a realizar en el ICMA,
que profundicen en las características de esta conversión de corriente de espín en corriente eléctrica, que
podría tener aplicaciones de impacto en el campo de la Energía. En este sentido, la empresa japonesa NEC está
testando prototipos para la conversión espín-electricidad mediante el efecto Hall de espín inverso; nosotros
proponemos que la conversión mediante el efecto inverso Rashba-Edelstein es más eficiente, tal y como
demuestran los primeros resultados que hemos publicado.
Proponemos para el estudiante el siguiente trabajo:
1) Crecimiento de heteroestructuras Ferromagnético-Aislante/Bi/Ag
2) Optimización de la litografía de estas heteroestructuras
3) Medida de la magnetorresistencia debida al efecto Rashba-Edelstein
A continuación, mencionamos los aspectos más destacados de este trabajo para la formación del estudiante:
a) Formación del estudiante en técnicas de crecimiento de películas delgadas y su caracterización mediante
técnicas basadas en rayos X y microscopía electrónica, así como la caracterización magnética mediante
magnetometría de muestra vibrante.
b) Formación del estudiante en técnicas de litografía en Sala Blanca, siendo necesario en este caso la
optimización de la litografía sobre material aislante.
c) Formación del estudiante en técnicas de caracterización de las propiedades magnetorresistivas en función
del ángulo formado por campo magnético y corriente en tres configuraciones diferentes.
Los objetivos científicos y tecnológicos que se persiguen son:
*Tecnológicos: optimización del proceso de crecimiento de bismuto y plata sobre materiales ferromagnéticos
aislantes y de su micro- y nano-litografía.
*Científico: obtención de un fenómeno magnetorresistivo por la transformación corriente de espíncorriente
eléctrica debida al efecto Rashba-Edelstein. Este efecto, de existir, estaría relacionado con la reciente
observación de un nuevo tipo de fenómeno magnetorresistivo por efecto Hall de espín llamado Spin Hall
Magnetoresistance [Nakayama et al., Phys. Rev. Lett. 110, 206601 (2013)], que ha llamado enormemente la
atención recientemente dentro de la comunidad de Electrónica de Espín. Si obtenemos el efecto
magnetorresistivo buscado, realizaríamos una descripción teórica del mismo.
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En el caso de que este trabajo pudiese ser desarrollado con éxito, abriría unas perspectivas muy interesantes
para el uso de la interfase Bi/Ag como método general de conversión de corriente de espín en corriente
eléctrica. Hoy en día se intenta generar y transportar corrientes de espín igual que se hacía a principios del siglo
XX con la corriente de carga eléctrica. Los dispositivos eléctricos y electrónicos que hoy en día sabemos
construir se basan en tales corrientes de carga por lo que si diseñamos un dispositivo basado en corrientes de
espín, finalmente querremos transformarlo en uno de corrientes de carga, que tan bien conocemos y sabemos
explotar. Una de las aplicaciones más prometedoras en las que podría aplicarse este descubrimiento es en la
transformación de calor en corriente de carga eléctrica. Desde hace varias décadas, gracias a los materiales
termoeléctricos es posible transformar el calor (como el que se genera por la combustión en el motor de un
coche) en energía eléctrica. Sin embargo, este proceso no es por ahora muy eficiente y resulta caro usar esta
tecnología. Recientemente, se ha descubierto un efecto llamado efecto Seebeck de espín por el que el calor se
aprovecha para generar una corriente de espín. La empresa eléctrica japonesa NEC está desarrollando los
demostradores de esa nueva tecnología que transformaría el calor en corriente de espín y de ahí en corriente
de carga mediante el efecto Hall de espín inverso, normalmente usando Pt. El uso de la interfase Bi/Ag sería
una alternativa, ya que esa transformación de corriente de espín en corriente de carga es más eficiente por el
efecto Rashba inverso, pudiendo quizá hacer viable esta tecnología.