Investigador Ikerbasque: Eugene Sherman
Toda la electrónica moderna se desarrolló al observar que los electrones eran partículas cargadas, que se podían mover en un campo eléctrico.
¿Cuáles son en su opinión los materiales que más se utilizarán en la electrónica basada en espínes? ¿Serán estas tecnologías respetuosas con el medio ambiente?
Básicamente, toda la electrónica moderna se desarrolló al observar que los electrones eran partículas cargadas, que se podían mover en un campo eléctrico. En nuestra vida, queremos disponer de equipamiento electrónico en el que podamos confiar eficiente, de confianza y, si es posible, pequeño. Todo esto se consiguió utilizando el silicio (Si) como material para hardware. Allá donde vayamos, vemos componentes de hardware basados en silicio, de hecho, fue el impulsor del crecimiento del Silicon Valley (valle del silicio) de California con sus abundantes empresas de electrónica y software.
Hasta hace poco, parecía que los investigadores conocían todo acerca del silicio y cómo aprovecharse de sus propiedades para fabricar modernos dispositivos.
Otra posibilidad prometedora ha sido reconocida recientemente. Además de su carga, los electrones tienen espín (rotación), un grado de libertad interno, meramente cuántico inicialmente enigmático. Puede imaginárselo como una flecha de longitud constante, que puede rotar con libertad y señalar a todos los puntos del espacio. Controlar la dirección en la que señala el espín es un desafío, pero si se resuelve este problema, es difícil de imaginar, incluso para científicos, la cantidad de información que puede estar codificada en un sistema de electrones pequeño.
Esta electrónica futura basada en espines, conocida como “espintrónica”, quiere utilizar los espines de los electrones para el procesamiento de la información, pero puesto que los materiales sólidos se utilizarán en ordenadores futuros, los aspectos de los materiales son muy importantes. Aquí sólo mencionare la espintrónica basada en semiconductores.
Es muy fácil controlar el movimiento de los electrones: al aplicar un campo eléctrico a una partícula cargada ésta se mueve, al igual que explican los profesores de física en secundaria. Controlar los espínes es mucho más complicado. Para resolver este problema con un campo eléctrico, hay que acoplar el espín con el movimiento orbital, lo que depende del material. Hace tiempo se consideraron dos tipos de materiales con este tipo de acoplamiento. Un tipo es el de los denominados materiales III-V, donde un elemento se deriva de la tercera columna de la tabla de los elementos y el otro, de la quinta. El compuesto de GaAs es el ejemplo más conocido. El otro tipo es el de los compuestos II-VI, con similares normas de composición. Sin embargo, estos compuestos no son respetuosos ni con los usuarios ni con la naturaleza (sus componentes son tóxicos o peligrosos), un importante freno para la fabricación en masa de dispositivos electrónicos.
Otra desventaja más de estos compuestos es que el espín está fuera de control rápidamente debido al acoplamiento del material huésped. Puesto que el acoplamiento del espín en el cristal huésped es muy débil en el Si, los espínes no se pueden manipular fácilmente por un campo eléctrico. Sin embargo, los estados del espín, una vez inyectados de un imán externo, sobrevivirían por mucho tiempo, es decir, la dirección de la flecha permanecería constante.
Estas propiedades han renovado el interés en el silicio como posible material para aplicación en la espintrónica. La tecnología basada en el Si es respetuosa con el medio ambiente y hay tanto como arena en la playa, bastante literalmente, puesto que la arena puede procesarse para utilizarse en la espintrónica ya que principalmente está compuesta de silicio y oxígeno. Durante nuestras vacaciones en la playa, podemos pensar e imaginar acerca de las futuras tecnologías con materiales ubicados bajo nosotros.
Me gustaría mencionar también que a finales de julio celebraremos un taller en el que están invitados todos los investigadores líderes de la espintrónica y esperamos que se presenten más ideas para la espintrónica basada en el silicio. Por supuesto, damos la bienvenida a todos los oyentes interesados que deseen asistir.
La teoría del transporte es parte de su línea de investigación. ¿Podría explicarnos los enfoques que los teóricos utilizan en este campo? ¿De qué trata el método cuántico Monte Carlo?
Si estamos interesados en estudiar el movimiento de los electrones en varios dispositivos, tenemos que volver a la teoría del transporte, que nos dice cómo se genera el flujo de electrones si se aplica un campo eléctrico a la muestra. El primer descubrimiento en profundidad de la teoría la elaboró el físico austríaco Ludwig Boltzmann en 1872. Su enfoque, mejorado y modificado en gran medida a partir de las ideas iniciales, funciona con fiabilidad en muchos casos clásicos: la ecuación de Bolzmann es una de las herramientas más valiosas en la física teórica. El enfoque Boltzmann funciona bien si podemos olvidar las propiedades de onda de los electrones. Todos los dispositivos semiconductores, que funcionan ahora en los gadget de alta tecnología, se modelaron a partir de la ecuación convencional de Bolzmann.
Las propiedades de grandes agrupamientos de electrones se pueden utilizar mediante el método Monte Carlo, un método que prueba muchos eventos aleatorios para deducir cosas acerca del sistema completo. El nombre, como se puede deducir con facilidad, viene de la famosa ciudad del casino en Mónaco, a pesar de que sea poco probable que los físicos visiten los casinos debido a su concepción de la probabilidad.
Como historia secundaria, cuando la American Physical Society organizó su reunión anual con unos siete mil participantes en Las Vegas, la capital del juego de los EE.UU, los mínimos beneficios de apuestas de la ciudad hicieron que la ciudad tuviera pocas ganas de volver a albergar una gran cantidad de físicos.
Generalmente, en el método de Monte Carlo para el problema de transporte de los electrones, estudiamos las probabilidades de eventos aleatorios simples, tales como las colisiones de los electrones con impurezas para aprender la dinámica de un sistema más grande.
Ahora, como resultado de la cruzada por la miniaturización de los elementos electrónicos, estamos interesados en estudiar diminutos sistemas, con las dimensiones típicas del orden de cientos de tamaños atómicos. Aquí estamos, en el mundo de la cuántica, donde los electrones simultáneamente son ondas y partículas y donde la velocidad y las coordenadas no existen al mismo tiempo. Las nuevas técnicas de la teoría del transporte cuántico son necesarias en este régimen, por eso se aplica el método cuántico Monte Carlo. En mecánica cuántica, asignamos alguna amplitud en vez de la probabilidad a cada ruta de electrones. Sumamos amplitudes de diferentes rutas que conducen al mismo estado final, y sólo entonces encontramos la probabilidad total del proceso. Uno traza las trayectorias posibles de un único electrón y después suma sus amplitudes en vez de dar a cada electrón las precisas coordenadas y velocidades iniciales. Esto es lo que hace el método cuántico Monte Carlo.
¿Ha estado en el País Vasco durante dos años, la imagen que tenía del País Vasco en general e Ikerbasque en particular antes de que viniera ha cumplido con sus expectativas?
Cuando me ofrecieron trabajar en Ikerbasque, acepté inmediatamente, ansioso por formar parte de la estupenda vida cultural del País Vasco de colaborar con muchas personas que sólo conocía a través de sus trabajos. Mi elección no me defraudó, la belleza del País Vasco, su gran historia y cultura, la hospitalidad y la energía, poco más se puede pedir. El río de Bilbao y la costa son lugares ideales por los que pasear e inspirar mi trabajo o simplemente para lanzar nuevas ideas con colegas. Las montañas y colinas pintorescas invitan a hacer excursionismo, al mismo tiempo que al vivir cerca del Euskalduna, llama a la apreciación de la música clásica.
Estoy especialmente agradecido por el apoyo de todos, Ikerbasque es un anfitrión estupendo. Hay muchas cosas que mi mujer y yo tenemos todavía por descubrir, en estos dos años solo me ha dado tiempo a ver una pequeña parte de la belleza del País Vasco. Científicamente, he conocido y trabajado con personas con las que siempre había querido investigar. Realmente, estamos construyendo un gran equipo.
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