La diferencia entre los electrones de espín up y down es la que justamente determina las propiedades magnéticas de un material, tal como es el caso del níquel, el cobalto o el hierro y de sus numerosas aleaciones. La resistencia eléctrica en los metales (ver superconductividad) está ligada a la dificultad que experimentan los electrones en su difusión a través del material, debido a la presencia de defectos de la red cristalina o a la interacción con las vibraciones de la red (fonones), entre otros mecanismos posibles.
A lo largo de estas colisiones, el espín del electrón tiene una probabilidad muy baja de cambiar, por lo cual se dice que se conserva. De esta manera, se puede considerar que para la conducción eléctrica contamos con dos tipos de cargas, cuyas poblaciones no van a alterarse con el tiempo: las de espín up y las de espín down. Estas cargas “diferentes” van a contribuir en forma paralela a la conducción eléctrica. Por otro lado, los materiales magnéticos presentan una magnetización microscópica que es la que experimenta localmente cada portador de carga. Considerando que existe una interacción magnética entre el espín de cada electrón y la magnetización del material que produce una dispersión diferente, dependiendo de si el espín se encuentra paralelo o antiparalelo con la magnetización, se puede entender que las probabilidades con las que se van a difundir los electrones up y down no van a ser iguales. Esto marca entonces la existencia de una difusión electrónica dependiente del espín. Otro mecanismo de dispersión está asociado con el pasaje de los electrones de un material magnético a otro que no lo es. Existe un desbalance entre las poblaciones de electrones de espín up y down en el material magnético, que tiene que desaparecer cuando se difundan en el material no magnético. Se produce entonces la aparición de una zona de transición que limita la difusión de electrones, en la que el desbalance de espín debe reducirse paulatinamente hasta anularse. Todos estos ingredientes ligados a los mecanismos de dispersión de la corriente electrónica en medios magnéticos y en sus interfaces con materiales normales son los que juegan un papel esencial y determinan las propiedades novedosas de la electrónica dependiente del espín.
La aparición de la espintrónica es un claro ejemplo del impacto que pueden producir las ciencias básicas en la generación de saltos tecnológicos importantes, que a su vez pueden resultar los motores del crecimiento económico, la productividad y el empleo.
Efectivamente, en 1988 el grupo del físico francés A. Fert, intentando entender cuestiones fundamentales sobre el transporte electrónico, puso en evidencia el efecto conocido en la actualidad como de magnetorresistencia gigante (GMR). Este efecto se observa en la conducción electrónica de estructuras artificiales que alternan capas de materiales magnéticos con capas de metales no magnéticos. Cada capa magnética presenta una dirección de magnetización propia que tenderá a orientarse antiparalelamente con las capas magnéticas vecinas. De igual modo que una brújula se orienta con el campo magnético terrestre, aplicando un campo magnético externo se puede hacer cambiar las orientaciones del conjunto de capas magnéticas para que adopten una configuración paralela. Esto produce una reducción drástica de la resistencia eléctrica, que es más de 100 veces mayor que la que se puede observar en metales simples, y para campos magnéticos relativamente pequeños. Este efecto gigante, que liga variaciones enormes de resistencia con pequeñas variaciones de campo magnético, fue lo que aprovechó en 1997 IBM para desarrollar pequeños cabezales de lectura de los discos rígidos, multiplicando por 100 la capacidad de guardar y leer información en medios magnéticos. Hoy en día, todo disco rígido de más de 10 GB emplea cabezales basados en el efecto de GMR. Una investigación ligada al entendimiento de mecanismos de conducción básica (y no la investigación aplicada orientada a la mejora de los discos rígidos), fue la que posibilitó este gran salto tecnológico.
Esquema del dispositivo de multicapas que produce el efecto de magnetorresistencia gigante (GMR). Al aplicar un campo magnético, se orientan los momentos magnéticos del Co, favoreciendo la conducción de los electrones con su espín polarizado en la misma dirección. Sin campo magnético, ninguna orientación de espín es favorecida. Se obtiene así un estado de alta y de baja resistencia.
Si bien los cambios de resistencia con campo magnético (la llamada magnetorresistencia) en los dispositivos GMR resultaron dos órdenes de magnitud mayor que la observada hasta entonces, la nota la dieron unos óxidos de manganeso, llamados manganitas, que mostraron valores de magnetorresistencia tan importantes que se la calificó de colosal (CMR). Los estudios sobre las manganitas se habían iniciado en los años 50 (Jonker y Vansaten), y si bien fue la primera vez que se correlacionaron los cambios en la conductividad eléctrica con un cambio en el orden magnético del material ya que, por debajo de una cierta temperatura, llamada temperatura de Curie, el material mostraba un comportamiento ferromagnético junto con un importante incremento de la conductividad eléctrica, fue recién a mediados de los 90 que se puso en evidencia la colosal dependencia de la resistencia con la aplicación de un campo magnético externo. Las investigaciones realizadas desde entonces mostraron que la CMR tiene un origen diferente de la GMR. En efecto, las manganitas que presentan CMR entran a determinada temperatura en un régimen de separación de fases. Esto quiere decir que al material le cuesta más o menos la misma energía adoptar microscópicamente un ordenamiento ferromagnético (que en este caso también es un conductor eléctrico) o un ordenamiento antiferromagnético (que lleva a que la carga se ordene espacialmente dando a lugar a un aislante eléctrico). Sólo necesita de un pequeño estímulo externo para que alguna de las dos fases (la ferromagnética conductora o la antiferromagnética aislante) sea la que se estabilice. Los pequeños defectos estructurales generan tensiones internas en la estructura cristalina, lo que también favorece una u otra fase. De esta manera, el material se subdivide naturalmente en zonas aislantes y conductoras y bastará con aplicar un pequeño campo magnético (o eléctrico) externo para desbalancear completamente el equilibrio de fases, convirtiendo un material prácticamente aislante en un material conductor. Esto produce un cambio colosal en la resistencia con sólo un pequeño campo magnético, es decir, una magnetorresistencia colosal.
No todos los aspectos están resueltos y quedan muchos puntos por entender para la ciencia básica, con el fin de realizar un modelo microscópico que explique el conjunto de propiedades que muestran las manganitas. Particularmente se ha puesto en evidencia el papel fundamental que juega la interacción de los electrones con las oscilaciones de la red, conformando una cuasi-partícula llamada “polarón”, lo que explicaría en parte la aparición del efecto isotópico en las manganitas y la dependencia de su ordenamiento magnético al aplicar presiones externas.
También se han observado evidencias experimentales sobre la conformación de una separación de fases nanoestructurada para temperaturas superiores a la temperatura de ordenamiento ferromagnético. Este y otros puntos quedan por resolver y para ello es necesaria una mayor profundización experimental y teórica para develar con mayor detalle las propiedades de estos materiales.
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