Las nanoarrugas en materiales 2D han dado a los científicos el control más preciso sobre el espín jamás logrado.

Científicos de la Universidad Rice demostraron que pequeñas «arrugas» en materiales bidimensionales pueden usarse para controlar el spin de los electrones con una precisión récord. Este descubrimiento abre el camino para crear dispositivos espintrónicos ultracompactos y de bajo consumo que podrían superar los límites de la electrónica de silicio.

Los procesadores y las memorias actuales funcionan gracias a la carga eléctrica que se desplaza por el silicio. Pero en el futuro se presta cada vez más atención al spin del electrón —un parámetro cuántico que puede adoptar dos estados: "arriba" o "abajo". Este enfoque, llamado espintrónica, no solo permite reducir el consumo energético de los sistemas informáticos, sino también aumentar la densidad de almacenamiento y procesamiento de información. La principal dificultad es que el estado del spin es muy inestable: al chocar los electrones con los átomos del material, la información se pierde rápidamente.

Los investigadores del grupo del profesor Boris Jacobson encontraron que las curvaturas en materiales de grosor atómico, como el ditelururo de molibdeno, crean una estructura especial de spins —la llamada hélice de spin persistente (persistent spin helix, PSH). En esos estados el spin se conserva incluso durante el esparcimiento de los electrones. En los materiales habituales la dirección de movimiento del electrón está ligada al spin: si la trayectoria cambia, cambia también el estado del spin. En la PSH esa restricción desaparece: el spin permanece estable, lo que permite una transmisión de información fiable.

El mecanismo está relacionado con el fenómeno de la polarización flexoeléctrica. Cuando un material 2D se dobla, su capa superior se estira y la inferior se comprime, lo que desplaza cargas positivas y negativas unas respecto a otras y genera un campo eléctrico interno. Los spins electrónicos interactúan con ese campo, formando zonas donde se alinean en estructuras helicoidales. Cuanto mayor es la curvatura, más pronunciado es el efecto. En los bucles y pliegues de los materiales 2D los spins empiezan a alternar entre "arriba" y "abajo" a escalas de solo unos nanómetros.

En el experimento con ditelururo de molibdeno lograron una longitud de precesión del spin de apenas alrededor de 1 nanómetro —un valor récord que es decenas de veces menor que en otros materiales conocidos. Un intervalo tan corto significa que los dispositivos basados en PSH pueden ser extremadamente compactos.

Los autores señalan que la idea central del estudio fue inesperada: combinar la física cuántica y la mecánica de deformaciones. Normalmente estas disciplinas casi no se cruzan, pero resultó que incluso cambios macroscópicos en la forma de los materiales bidimensionales afectan directamente a las interacciones cuántico-relativistas entre spins y núcleos. Esto permite diseñar nuevas texturas de spin exóticas y usarlas para desarrollar la espintrónica.

El trabajo se realizó con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., la Oficina de Investigación del Ejército, la National Science Foundation, el Departamento de Energía y el Departamento de Defensa de EE. UU. Los científicos subrayan que una simple "pinza" mecánica en un material ultrafino podría ser la clave para crear nuevas generaciones de computación.