El interruptor de spin más pequeño dentro de un nanotubo conductor

Imagen: M. Eugenio Vázquez (CiQUS).

12.03.2021

• Los investigadores de IMDEA Nanociencia reportan la primera encapsulación de moléculas con spin-crossover (SCO) dentro de nanotubos de carbono.
• Las moléculas SCO presentan un cambio radical de espín con la temperatura, hecho relevante para los interruptores magnéticos y dispositivos espintrónicos.

• Este resultado de investigación fundamental ayuda a entender el comportamiento de las moléculas magnéticas cuando están confinadas en espacios muy pequeños. .

Una investigación publicada en Nature Communications, en la que participan investigadores del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA) y la Universidad de Sevilla, ha mostrado por primera vez la conductividad eléctrica de un único nanotubo de carbono con moléculas de espín cruzado en su interior.

Mientras los dispositivos electrónicos siguen reduciéndose para satisfacer las demandas del mercado, los científicos trabajan para desarrollar los minúsculos componentes que los harán funcionar. Hay una demanda persistente de procesos rápidos y eficientes en términos energéticos, y los dispositivos espintrónicos podrían ser la solución que dé forma al futuro de la informática.

En este caso, las moléculas magnéticas podrían dar una nueva vuelta de tuerca a la electrónica convencional. En concreto, las moléculas de espín cruzado (spin-crossover, SCO, en inglés) conforman una familia de unidades funcionales de dimensión cero (0D) que presentan un cambio de espín radical desencadenado por un cambio electroestructural,  activable por estímulos externos como la luz, la presión o la temperatura. Este “interruptor de espín” confiere a las moléculas SCO excelentes capacidades y funcionalidades para su aplicación en la nanoelectrónica. Sin embargo, su carácter aislante ha impedido que estas moléculas se exploten plenamente. Algunos grupos de investigación han incrustado moléculas SCO en matrices de un material conductor, pero los resultados no son totalmente compatibles con los requisitos de los dispositivos a nanoescala.

El poder de manipular la materia a la nanoescala

Un sistema innovador para incorporar eficazmente moléculas SCO en materiales conductores es introducirlas dentro de nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son materiales unidimensionales (1D), resistentes, ligeros y, lo que es más importante, son mini-hilos que conducen bien la electricidad, con un diámetro de 1 a 5 nanómetros y pueden medir hasta centímetros de longitud. Un grupo de investigación dirigido por científicos en IMDEA Nanociencia ha encapsulado por primera vez moléculas SCO basadas en el elemento hierro (Fe) dentro de nanotubos de carbono (SWCNT). Los nanotubos actúan como troncos conductores que transportan, protegen y detectan el estado de espín de las moléculas SCO, y superan de este modo, su intrínseco carácter aislante.  

El grupo de investigadores, dirigido por el Prof. Emilio M. Pérez, el Dr. José Sánchez Costa y el Dr. Enrique Burzurí, estudiaron el transporte de electrones a través de nanotubos de carbono individuales, incrustados en pequeños nano-transistores mediante dielectroforesis. Encontraron un cambio en la conductividad eléctrica del nanotubo, que viene modificada por el estado de espín de las moléculas SCO dentro encapsuladas. La transición entre los dos estados de conducción es provocada por un interruptor térmico que resulta no ser simétrico: la temperatura del punto de transición no es el mismo bajando que subiendo el termómetro. Este hecho abre una histéresis que no se presenta en las muestras cristalinas, y surgen entonces interesantes aplicaciones potenciales para este sistema: "Estos sistemas son como mini elementos de memoria a escala nanométrica, ya que presentan un ciclo de histéresis con el cambio de temperatura. También podrían servir como filtro de espín -un requerimiento de los dispositivos espintrónicos- porque el nanotubo ‘siente’ si la molécula tiene o no espín", comenta el Dr. Burzurí.

Los resultados experimentales están respaldados con cálculos teóricos realizados por investigadores de la Universidad de Sevilla. Durante el proceso de conmutación, los orbitales de las moléculas SCO cambian y también su hibridación con el nanotubo de carbono, lo que a su vez modifica la conductividad eléctrica de éste último. Las moléculas SCO en su estado de bajo espín tienen una interacción más fuerte con los nanotubos; les resulta más difícil cambiar su estado y esto se traduce en un "salto" en la conductividad del nanotubo a una determinada temperatura, que depende del estado de espín inicial.

Esta primera encapsulación de moléculas SCO dentro de nanotubos de carbono es un resultado de la investigación fundamental que ayuda a comprender el comportamiento de estas moléculas cuando están confinadas en espacios muy pequeños, y proporciona un sólido revestimiento para su lectura y posicionamiento en nanodispositivos. Los autores esperan que este material híbrido multidimensional (0D-1D) pueda aprovechar las mejores propiedades de los materiales que lo constituyen, explotando el estado de espín como un grado de libertad adicional. Este minúsculo cable e interruptor puede producirse a escala preparatoria y podría representar un paso relevante en el desarrollo de sistemas magnéticos a nanoescala.

Este resultado de investigación es fruto de la colaboración entre investigadores del IMDEA Nanociencia y del Departamento de Química Física de la Universidad de Sevilla, y ha sido dirigido por el Prof. Emilio M. Pérez (Grupo de Química de Materiales de Bajas Dimensiones), el Dr. José Sánchez Costa (Grupo de Nanomateriales Conmutables), y el Dr. Enrique Burzurí (Grupo Materiales y Dispositivos Funcionales a Nanoescala); los tres grupos en IMDEA Nanociencia. Los tres autores principales agradecen la cofinanciación del Ministerio de Ciencia e Innovación y el premio Severo Ochoa de Excelencia en I+D a IMDEA Nanociencia (2017-2021).

Referencia:

J. Villalva et al. Spin-state-dependent electrical conductivity in single-walled carbon nanotubes encapsulating spin-crossover molecules. Nat. Commun. 2021.

DOI: 10.1038/s41467-021-21791-3

Contacto

Emilio M. Pérez
emilio.perez [at] imdea.org
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José Sánchez Costa
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Enrique Burzurí
enrique.burzuri  [at] imdea.org
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Fuente: IMDEA Nanociencia