Espintrónica de grafeno. ¿Se ha abierto la caja de Pandora?
Estudio de referencia
Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H. (2011). Graphene spintronics : the role of ferromagnetic electrodes. Nano letters, 11 (1), pp. 151-155. https://doi.org/10.1021/nl1031919
La espintrónica es la rama científico-técnica que se ocupa del estudio de la carga y el espín de los electrones.
Un «espín» es la rotación del electrón sobre sí mismo.
Toma un valor único (número cuántico) que equivale al momento angular orbital.
Sus aplicaciones en informática cuántica explotan la capacidad de reflejar qubits o bits cuánticos (Burkard, G .; Engel, HA; Loss, D. 2000 | Leuenberger, Minnesota; Loss, D. 2001), de forma similar a como lo haría un ordenador, alterando sus valores de espín mediante nanocampos magnéticos.
Esto es posible gracias al efecto de magnetorresistencia de los electrones y sus espines, habiéndose desarrollado válvulas de espín con alta sensibilidad a los campos magnéticos (Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018 | Braun, M. ; König, J.; Martinek, J. 2006), que demuestran la viabilidad del concepto.
Hechos analizados
El estudio analiza cómo hacer funcionar la espintrónica del grafeno utilizando electrodos ferromagnéticos de cobalto-níquel, que alcanzan eficiencias de espín-espín del orden del 60-80 %, lo que supone una buena capacidad de interacción computacional.
En otras palabras, es posible transferir los principios de la computación binaria y cuántica, como en un procesador o un chip de PC en una placa base, al grafeno a nanoescala.
Se afirma que «este gran filtrado de espín (referido a la incidencia del campo magnético inducido) resulta de la interacción específica del material entre el grafeno y la interfaz ferromagnética, que destruye la relación de dispersión lineal de las bandas del grafeno, lo que a su vez modifica dicha relación y conduce a la apertura de brechas de energía dependientes del espín».
Se trata de la capacidad de modificar a voluntad las propiedades físicas del espín, es decir, de alterar sus valores naturales.
«La banda prohibida del espín minoritario se encuentra a una energía mayor que la banda prohibida del espín mayoritario, lo que da lugar a grandes corrientes dominadas por el espín minoritario».
En otras palabras, alterando la corriente de energía del espín, es posible cambiar tanto su momento angular como su polarización, detectando un valor diferente a voluntad.
Fig. 1. Diagrama de circuito de los electrodos de grafeno y cobalto-níquel (Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H., 2011).
Los autores introducen el artículo exponiendo el objetivo de la espintrónica y la magnetoelectrónica : «El campo de la espintrónica o magnetoelectrónica utiliza el grado de libertad de rotación de los electrones y su momento magnético intrínseco para influir o controlar las propiedades de un circuito».
Evidentemente, los investigadores trabajan en el desarrollo de circuitos, transistores y, con el tiempo, chips o procesadores a nanoescala.
En este sentido, el grafeno posee todas las propiedades necesarias para el desarrollo de dispositivos espintrónicos, como se indica a continuación : «El grafeno, una red bidimensional de átomos de carbono, es un material sin huecos con bandas electrónicas de dispersión lineal que se unen en el nivel de Fermi en puntos cónicos (de Dirac) situados en los puntos K de la región de Brillouin.
El grafeno ha recibido mucha atención por sus excepcionales propiedades, incluidos los portadores efectivos de masa cero con movilidades extremadamente altas, y se espera que desempeñe un papel importante en el futuro de la nanotecnología.
Entre otras cualidades, el grafeno tiene una débil interacción espín-órbita debido al bajo número atómico de carbono, lo que da lugar a largas longitudes de coherencia de espín.
Por tanto, el grafeno es un material prometedor para aplicaciones en dispositivos espintrónicos».
Esta afirmación pone de manifiesto la estabilidad magnética del grafeno y su capacidad para alterar sus propiedades de espín magnéticamente.
Fig. 2. Cambios en la polarización del espín por una carga de energía en el campo magnético formado por electrodos (Maassen, J.; Ji, W.; Guo, H., 2011).
Sin embargo, los autores señalan algunos problemas que pretenden resolver en el desarrollo de su trabajo : «generar e inyectar una corriente polarizada por espín en el grafeno es vital para el desarrollo de la espintrónica basada en grafeno.
En teoría, el grafeno dispone de nanocapas, a diferencia del grafeno puro, que tiene un momento magnético local en los bordes en zigzag. Sin embargo, la presencia de desorden en los bordes e impurezas, que se ha demostrado que suprimen este estado magnético, supone una limitación importante.
Por tanto, es necesaria una inyección eficaz de espín en el grafeno para poder fabricar un dispositivo espintrónico prototípico».
Evidentemente, los investigadores se enfrentan al problema de las impurezas del material.
Cabe señalar que el artículo se publicó en 2011.
Posteriormente, se desarrollaron técnicas y métodos para obtener grafeno de la máxima pureza y calidad, un tema ampliamente debatido en la literatura científica (Konwar, S.; Dhapola, P.S.; Gupta, M.; Singh, R.C.; Singh, P.K. 2019 | Bu, Y.; Liang, H.; Gao, K.; Zhang, B. Zhang, X.; Shen, X.; Zhang, J. 2020 | Manoratne, C.H.; Rosa, S.R.D; Kottegoda, I.R.M. 2017 | Rosillo-Lopez, M.; Salzmann, C.G. 2016 | Jasim, D.A.; Lozano, N.; Kostarelos, K. 2016 | Zhao, M.Q.; Zhang, Q.; Huang, J.Q.; Tian, G.L.; Chen, T.C.; Qian, W.Z.; Wei, F. 2013).
Obviamente, este problema ya se había resuelto en los años anteriores a esta «plandemia», por lo que el grado de precisión de la edición espintrónica aumentará considerablemente.
De hecho, Jozsa, C. aborda el tema de la espintrónica del grafeno en su libro : «la dinámica del espín en los transistores de efecto de campo de grafeno con contactos inyectores y detectores ferromagnéticos, así como los efectos relacionados con el transporte del espín en el grafeno.
El nivel de Fermi para alterar el magnetismo y el espín mediante gating electrostático para cargar el grafeno con electrones o huecos a una densidad, creando un dispositivo de tipo transistor de efecto de campo ; y el método para detectar el transporte de espín eléctricamente a través de una válvula de espín de dos terminales, donde el grafeno está en contacto con dos electrodos ferromagnéticos».
Para procesar el dispositivo espintrónico del experimento, se colocó una lámina de grafeno 2D entre dos electrodos ferromagnéticos de cobalto-níquel, «de modo que la corriente de espín polarizada está principalmente acoplada a las capas… Además, la geometría de corriente en el plano, en la que el transporte se produce en paralelo al grafeno, es la arquitectura de dispositivo experimental y teórica más común.
En estos sistemas, los electrodos de origen y drenaje están compuestos de grafeno recubierto de FM (materiales ferromagnéticos), que, dependiendo de la naturaleza del enlace químico, pueden hibridarse y dar lugar a una estructura electrónica compleja».
En el caso de la investigación, el cobalto-níquel se hibrida fuertemente con el grafeno.
Sin embargo, «es crucial caracterizar adecuadamente la estructura atómica detallada para obtener los estados electrónicos correctos en la interfaz y analizar con precisión las propiedades de transporte de espín polarizado del dispositivo. Dada la naturaleza de este problema, es necesario utilizar un modelo atomístico ab initio para un tratamiento preciso de la interacción química de contacto».
Esta afirmación demuestra sin lugar a dudas la capacidad de hacer funcionar nanotransistores a escala casi atómica en forma de grafeno, alterando los campos magnéticos y, por tanto, las emisiones de ondas electromagnéticas, gracias a las propiedades de absorción del grafeno (Avdoshenko, SM; Ioffe, IN; Cuniberti, G .; Dunsch, L .; Popov, AA 2011 | Ray, SC; Soin, N.; Makgato, T.; Chuang, CH; Pong, WF; Roy, SS; McLaughlin, JA 2014 | Hashmi, A.; Hong, J. 2014 | Wang, J.; Xu, X.; Mu, X.; Ma, F.; Sun, M. 2017).
Por otro lado, cabe destacar que los electrodos ferromagnéticos también pueden estar hechos de magnetita, material que suele integrar óxido de grafeno, tal y como se extrae de los siguientes estudios de magnetorresistencia para espintrónica (véase Liao, Z. M.; Wu, H. C.; Wang, J. J.; Cross, G. L.; Kumar, S.. ; Shvets, IV; Duesberg, GS 2011 | Kharissova, OV; García, BO; Kharisov, BI; Méndez, UO 2016).
Otros estudios
En el trabajo de Soriano, D.; Muñoz-Rojas, F.; Fernández-Rossier, J.; Palacios, JJ (2010) se analiza «cómo la hidrogenación de nanocapas de grafeno en pequeñas concentraciones puede abrir espacios hacia aplicaciones espintrónicas basadas en carbono, independientemente de la terminación de los bordes o la pasivación específica de las nanocapas».
Esto podría sugerir que el hidrógeno puede interactuar con el grafeno para configurar los electrodos necesarios para crear el transistor, lo que simplificaría aún más el modelo de transistor.
De hecho, esto se confirma en la siguiente afirmación : «Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad muestran que un átomo de hidrógeno absorbido induce una densidad de espín en las proximidades de orbitales cuya simetría y grado de localización dependen de la distancia a los bordes de la nanocapa».
Y añaden : «Bajo la influencia de un campo magnético, el AGNR hidrogenado (nanotapa de grafeno) se comporta como un semiconductor paramagnético diluido para pequeñas concentraciones de hidrógeno. A grandes concentraciones, cuando la densidad de espín es cero en todas partes, la influencia del campo solo puede dar lugar a una respuesta diamagnética menor.
A concentraciones intermedias, cuando las nubes de magnetización inducidas por los átomos de hidrógeno interactúan entre sí, es posible pasar del estado AF al estado F aplicando un campo magnético suficientemente fuerte».
Esto demuestra que la aplicación de campos magnéticos sobre los transistores de grafeno afecta a su programación inalámbrica y, muy probablemente, a su rendimiento funcional.
Por otro lado, los electrodos de hidrógeno pueden inducir la magnetización del grafeno, lo que explicaría las propiedades electromagnéticas mencionadas en el artículo de (González-Herrero, H .; Gómez-Rodríguez, JM; Mallet, P .; Moaied, M .; Palacios, JJ; Salgado, C .; Brihuega, I. 2016).
Fig. 3. Estado antiferromagnético (a) y ferromagnético (b) alterado por campos magnéticos. Se observa la hidrogenación de los bordes de la lámina de grafeno que actúan como electrodos, lo que simplifica aún más el modelo del transistor (Soriano, D.; Muñoz-Rojas, F.; Fernández-Rossier, J.; Palacios, J. J., 2010).
Además, la investigación de (Li, L.; Qin, R.; Li, H.; Yu, L.; Liu, Q.; Luo, G.; Lu, J. 2011) investiga «la posibilidad del grafeno funcionalizado como dispositivo espintrónico bidimensional de alto rendimiento. Se descubrió que el grafeno funcionalizado con oxígeno en un lado y hidrógeno en el otro en la conformación del electrodo constituye un metal ferromagnético con una eficiencia de filtro de espín de hasta el 54 % con polarización finita.
La válvula de espín se controla introduciendo un campo magnético para estabilizar el estado ferromagnético.
La magnetorresistencia resultante a temperatura ambiente es de hasta el 2200 %, un orden de magnitud superior a los valores experimentales disponibles».
En conclusión, afirman que «en comparación con los dispositivos espintrónicos de nanocapas de grafeno ultrafinas, los grafenos funcionalizados permiten una corriente mucho mayor con menos requisitos en la técnica de fabricación y son más competitivos».
Fig. 4. Diagrama esquemático de un transistor de grafeno con átomos de oxígeno e hidrógeno (Li, L.; Qin, R.; Li, H.; Yu, L.; Liu, Q.; Luo, G.; Lu, J., 2011).
Otra propiedad que se ha estudiado es la conmutación de la rotación del espín en los puntos cuánticos.
Según (Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D. 2018), es posible conmutar la rotación del espín para cambiar sus propiedades y valores con el fin de codificar los valores computacionales necesarios.
Esto se refleja en su siguiente declaración : «Demostramos que el transporte cuántico a través de un punto cuántico de espín degenerado proporciona un control único sobre los pares de espín que actúan sobre los nanoimanes unidos, lo que permite conmutar efectivamente los nanoimanes de una configuración paralela a una antiparalela y viceversa».
Esto demuestra que es posible desarrollar nanoelectrónica o espintrónica basada en todo tipo de semiconductores, incluido el grafeno y sus derivados.
Fig. 5. Diagrama de conmutación que muestra el ángulo de apertura del espín en función de la carga de tensión de polarización aplicada (Gergs, NM; Bender, SA; Duine, RA; Schuricht, D., 2018).
El estudio de (Akram, KB; ul-Hassan, SM; Ahmed, A .; Hamayun, MA; Rafique, M .; Manzoor, S. 2020) se distingue por la propiedad especial del óxido de grafeno reducido rGO/Fe3O4 de tener una magnetoconductividad «gigante» en CA (corriente alterna), indispensable para el montaje de transistores semiconductores.
En concreto, afirman que «se han medido las propiedades estructurales, de transporte en CA y de magnetotransporte de compuestos de óxido de grafeno reducido (rGO) y nanopartículas de magnetita en el rango de frecuencias de 10 Hz a 2 MHz y en campos magnéticos estáticos de hasta 500 mT».
Concluyen que «la magnetoconductividad CA a temperatura ambiente es del 57 % (af = 254 kHz) y del 40 % (af = 10 Hz) en un campo magnético B = 500 mT para la muestra con un 40 % en peso de nanopartículas de magnetita.
Este valor es muy superior al obtenido en el magnetotransporte de corriente continua (CC), donde las magnetoconductividades a temperatura ambiente en compuestos similares suelen ser del 10 % o menos en campos magnéticos comparables.
Esto repercute en la eficiencia de los transistores 2D de grafeno monocapa, cuyos electrones pueden funcionar con mayor resistividad».
Reflexiones finales
La espintrónica del grafeno demuestra que es posible crear circuitos y transistores a nanoescala que podrían inocularse perfectamente mediante una «vacuna».
También se demuestra que se necesitan electrodos magnéticos para obtener transistores y otros componentes espintrónicos.
Esto explicaría, una vez más, el fenómeno magnético de las personas inoculadas con «vacunas».
Junto a esto, también se demuestra que se pueden fabricar electrodos ferromagnéticos a partir de magnetita (Fe₃O₄), que coincide con las combinaciones típicas del óxido de grafeno y sus múltiples aplicaciones : inyección de aerosoles en la atmósfera, aerogeles, hidrogeles, nanopartículas terapéuticas contra el cáncer, terapias génicas, administración de fármacos, biocidas y fertilizantes, donde se explican con precisión todos los usos y propiedades.
Con toda la información analizada hasta ahora, se supone que los materiales necesarios para el ensamblaje de dispositivos espintrónicos (es decir, el óxido de grafeno y la magnetita Fe₃O₄, u otros materiales aún no identificados) se encuentran en las «vacunas» y también se introducen indirectamente en el cuerpo humano a través de los alimentos, el agua, el aire y los sueros fisiológicos (y probablemente de muchas otras formas).
Sin embargo, queda por aclarar si existen nanotecnologías o nanobots capaces de ensamblar dichos materiales para conseguir su capacidad operativa.
Esto, sin embargo, no excluye la posibilidad de que los materiales puedan autoensamblarse mediante campos electromagnéticos mediante la «Teslaforesis» (Bornhoeft, LR; Castillo, AC; Smalley, PR; Kittrell, C.; James, DK; Brinson, BE; Cherukuri, P. 2016), un movimiento magnético dirigido al autoensamblaje de nanotubos de carbono que requiere una bobina Tesla que genere un campo electromagnético o una diferencia de potencial entre los electrodos, como se muestra en este vídeo.
Por supuesto, la bobina de Tesla podría sustituirse por las ondas electromagnéticas emitidas por las antenas 5G.
Si se demostrara la presencia de magnetita (Fe₃O₄) u otro material ferromagnético o de cualquier otro mecanismo nanométrico de electrodos, esta teoría podría verificarse, ya que no sería necesario organizar específicamente los nanomateriales, que se encontrarían en la solución acuosa de la «vacuna».
Si se parte de la base de que la obtención de dispositivos espintrónicos es muy probable, merece la pena reflexionar sobre las capacidades y posibilidades de esta tecnología.
Parece lógico que los transistores y circuitos tengan la función de identificar el dispositivo, y esta sería la dirección MAC (Media Access Control), que es un identificador único de 48 bits para su conexión a la red.
Evidentemente, si hay un dispositivo de red, debe haber un mecanismo para conectarlo o, al menos, para identificarlo.
Para ello se necesita un dispositivo de radio que module y transmita la señal, y por otro lado un controlador, en forma de CPU básica con procesador digital de señales y controlador de conexión.
Muchos dispositivos electrónicos que suelen conectarse por Bluetooth cumplen estos requisitos, por lo que es concebible que los transistores de grafeno puedan conectarse a la red, del mismo modo que el IoT (Internet de las cosas).
De hecho, según Yang, X., Liu, G., Balandin, AA y Mohanram, K. (2010), consiguieron crear «un amplificador de un solo transistor de grafeno que utiliza el concepto clave de polarización en los circuitos analógicos… En comparación con los amplificadores convencionales basados en dispositivos unipolares, el amplificador de un solo transistor propuesto ofrece un mayor control sobre el terreno, ya que puede cambiar de un modo a otro durante su funcionamiento.
Hasta donde sabemos, este es el primer trabajo que demuestra que un amplificador de transistor único basado en un dispositivo de tres terminales puede configurarse sobre el terreno para funcionar como amplificador de fuente común y como amplificador de sumidero común».
Además, añaden que los transistores de grafeno pueden utilizar técnicas de modulación y codificación para establecer una comunicación o un enlace con otros dispositivos.
De hecho, «tanto PSK (modulación por desplazamiento de fase) como FSK (codificación por desplazamiento de frecuencia) son importantes técnicas de modulación digital.
La PSK se utiliza mucho en aplicaciones inalámbricas como Bluetooth, identificación por radiofrecuencia (RFID) y ZigBee, mientras que la FSK suele emplearse en sistemas de radio y audio».
Otro detalle relevante de este trabajo (Yang, X., Liu, G., Balandin, AA y Mohanram, K., 2010) es la frecuencia de la señal de funcionamiento de los transistores desarrollados: 4, 8 y 10 kHz.
Estos datos podrían utilizarse en investigaciones futuras sobre transistores espintrónicos de grafeno.
Otros trabajos también apoyan el desarrollo de nanotransceptores de grafeno inalámbricos (Iannazzo-Soteras, ME, 2017) o transistores biosensores basados en grafeno para uso biomédico, conectados vía Bluetooth (Arora, K., 2019).
Bibliografía
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