¿Qué es la 'orbitrónica'? Carga, espín y, ahora, momento angular. Electrones que rozan la ciencia ficción.
Eugenio M. Fernández Aguilar, Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
03.10.2024
La orbitrónica es una rama emergente de la física que se centra en el uso del momento angular orbital de los electrones para crear nuevas formas de procesar y almacenar información. A diferencia de la electrónica convencional, que depende de la carga de los electrones, o la espintrónica, que utiliza su espín, la orbitrónica se centra en el comportamiento de los electrones en sus órbitas alrededor del núcleo, lo que promete mejorar significativamente la eficiencia energética y la velocidad de los dispositivos electrónicos. La orbitrónica ha empezado a posicionarse como una tecnología clave para el futuro.
algo que muestre los fundamentos de la orbitrónica, basada en el momento angular de los electrones. Fuente: Leonardo.Ai / Eugenio Fdz.
Llama la atención un reciente artículo publicado en Nature Physics, titulado "Controllable Orbital Angular Momentum Monopoles in Chiral Topological Semimetals" y escrito por Yun Yen y colaboradores. En este trabajo se destaca cómo este campo está avanzando rápidamente gracias a la identificación de materiales cuánticos con estructuras capaces de albergar monopolos de momento angular orbital. Estos avances sugieren que la orbitrónica podría pronto ofrecer una nueva vía para el diseño de dispositivos más eficientes y veloces, lo cual podría ser un aliciente para poder superar muchas de las limitaciones actuales de la tecnología electrónica.
Principios de la orbitrónica
La orbitrónica tienen en cuenta una propiedad que hasta ahora no se había aprovechado en los electrones: el momento angular orbital. Este es el resultado del movimiento del electrón alrededor del núcleo en su órbita. A diferencia del espín, que es intrínseco a la partícula, el momento angular orbital depende de la interacción del electrón con su entorno, particularmente con la estructura cristalina del material en el que se encuentra.
Este fenómeno permite el desarrollo de dispositivos donde la información se codifica en los momentos orbitales de los electrones, lo que podría mejorar la capacidad de almacenamiento y procesamiento sin la necesidad de consumir grandes cantidades de energía. Por ejemplo, en lugar de activar y desactivar estados de carga o espín, los sistemas orbitrónicos manipulan directamente el flujo orbital de los electrones, lo que genera menos calor y requiere menos potencia para funcionar.
La orbitrónica se basa en el movimiento del electrón alrededor del núcleo en su órbita. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
El descubrimiento de monopolos de momento angular orbital
Uno de los avances más recientes y relevantes en la orbitrónica es la observación de monopolos de momento angular orbital en materiales quirales, como los semimetales topológicos de PtGa y PdGa. Estos monopolos son configuraciones en las que el momento angular orbital de los electrones se alinea de forma isotrópica con el momento cristalino del material. De este modo se genera una estructura que puede ser controlada y manipulada con bastante precisión.
El equipo de Yun Yen ha utilizado una técnica avanzada de espectroscopía de fotoelectrones con luz polarizada para mapear estos monopolos de manera directa. Lo que hace que este descubrimiento sea particularmente emocionante es que se ha demostrado que la polaridad de estos monopolos puede controlarse alterando la quiralidad del material, es decir, su estructura geométrica. Esta capacidad de modificar los monopolos abre la puerta a aplicaciones personalizadas en tecnología orbitrónica, donde los dispositivos podrían diseñarse para responder de manera precisa a diferentes tipos de estímulos externos.
Además, estos materiales quirales presentan una ventaja significativa respecto a los semiconductores tradicionales: no dependen de campos magnéticos externos para operar. Una circunstancia que simplifica su integración en sistemas electrónicos actuales y mejora su eficiencia energética.
Quién sabe si en el futuro todos nuestros aparatos electrónicos tendrán que ser reinvenados. Fuente: iStock
Orbitrónica frente a espintrónica y electrónica
La espintrónica ha sido durante mucho tiempo la promesa para superar las limitaciones de la electrónica convencional. Sin embargo, la espintrónica presenta diversos inconvenientes, como la disipación de energía y la necesidad de campos magnéticos complejos para controlar los espines. En contraste, la orbitrónica no depende de estas restricciones y puede operar de manera más eficiente, utilizando el momento angular orbital, que es menos susceptible a las pérdidas de energía por disipación térmica.
Otra diferencia crucial es que la orbitrónica permite un mayor grado de libertad. Mientras que la electrónica tradicional y la espintrónica operan en una dimensión (carga o espín), la orbitrónica puede gestionar múltiples grados de libertad. ¿Qué significa esto? Pues que cada electrón puede transportar más información, mejorando significativamente la densidad de almacenamiento y la velocidad de procesamiento.
La 'orbitrónica' es la nueva electrónica. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
¿Dónde veremos la orbitrónica?
Las potenciales aplicaciones de la orbitrónica son numerosas y abarcan áreas como la computación cuántica, donde la necesidad de manejar grandes cantidades de información de manera eficiente es primordial. Los dispositivos de memoria no volátil basados en orbitrónica podrían ofrecer mayores capacidades de almacenamiento a menor costo energético, algo que podría transformar la industria de los centros de datos, responsables actualmente de un consumo energético significativo a nivel mundial.
Otra aplicación clave es el desarrollo de sensores cuánticos ultra precisos, que podrían detectar variaciones mínimas en campos magnéticos o eléctricos. Estos sensores tendrían aplicaciones en áreas tan diversas como la medicina, la investigación científica y la tecnología militar.
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Referencias
Yen, Y., Krieger, J.A., Yao, M. et al. Controllable orbital angular momentum monopoles in chiral topological semimetals. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-02
4-02655-1
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