Investigación de la corriente de espín inducida por excitación magnética en trihaluros de cromo

Un enfoque ingenioso para desarrollar dispositivos de memoria de baja potencia, alta velocidad y alta densidad se basa en la espintrónica, una frontera emergente en tecnología que aprovecha un grado de libertad de los electrones conocido como espín. En pocas palabras, los electrones, junto con su carga negativa, poseen un espín cuya orientación se puede controlar mediante campos magnéticos. Esto es particularmente relevante para los aisladores magnéticos, en los que los electrones no pueden moverse, pero el giro sigue siendo controlable. En estos materiales, las excitaciones magnéticas pueden dar lugar a una corriente de espín, que constituye la base de la espintrónica.

Los científicos han estado buscando métodos eficientes para generar la corriente de espín. El efecto fotogalvánico, un fenómeno caracterizado por la generación de corriente continua a partir de la iluminación de la luz, es particularmente útil en este sentido. Los estudios han encontrado que una corriente de giro fotogalvánica se puede generar de manera similar utilizando los campos magnéticos en las ondas electromagnéticas. Sin embargo, actualmente carecemos de materiales candidatos y una formulación matemática general para explorar este fenómeno.

Ahora, el profesor asociado Hiroaki Ishizuka del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), junto con su colega, ha abordado estos temas. En su reciente estudio publicado en Cartas de revisión física, presentaron una fórmula general que se puede utilizar para calcular la corriente de giro fotogalvánica inducida por excitaciones magnéticas oscilantes transversales. Luego utilizaron esta fórmula para comprender cómo surgen las corrientes de espín fotogalvánicas en compuestos de trihaluro de cromo (Cr) bicapa, a saber, triyoduro de cromo (CrI₃) y tribromuro de cromo (CrBr₃).

«A diferencia de estudios anteriores que consideraban los campos magnéticos oscilantes longitudinales para generar corrientes de espín, nuestro estudio se centra en los campos magnéticos oscilantes transversales. En base a esto, descubrimos que los procesos que involucran una banda de magnón (cuanto de excitaciones de onda de espín) y dos bandas de magnón contribuyen a la corriente de espín», explica el Dr. Ishizuka.

Usando su fórmula, el dúo descubrió que tanto CrI₃ y CrBr₃ mostró una gran corriente de giro fotogalvánica para excitaciones magnéticas correspondientes a ondas electromagnéticas a frecuencias de gigahercios y terahercios. Sin embargo, la corriente solo apareció cuando los giros mostraron un orden antiferromagnético, lo que significa que los giros sucesivos eran antiparalelos, a diferencia del orden ferromagnético (donde los giros sucesivos son paralelos).

Además, la dirección de la corriente de espín estaba gobernada por la orientación del ordenamiento antiferromagnético (ya sea que los espines de la primera y la segunda capa estuvieran dispuestos arriba-abajo o abajo-arriba). Además, señalaron que, a diferencia de los hallazgos anteriores que atribuían la corriente de espín solo al proceso de dos magnones, su fórmula mostraba que, en general, era posible una gran respuesta con el proceso de un solo magnón.

Estos resultados sugieren que la bicapa CrI₃ y CrBr₃ son fuertes candidatos para investigar el mecanismo asociado con la generación de corriente de espín fotogalvánico.

«Nuestro estudio no solo predice contribuciones imprevistas a la corriente de espín, sino que también proporciona una guía para el diseño de nuevos materiales impulsados ​​por el efecto fotogalvánico de las excitaciones magnéticas», dice el Dr. Ishizuka.