La ingeniería de espín describe el control y la manipulación de sistemas de espín cuánticos para desarrollar dispositivos y materiales. Esto incluye el uso de los grados de libertad del espín como sonda para fenómenos basados en el espín. Debido a la importancia básica del espín cuántico para los procesos físicos y químicos, la ingeniería del espín es relevante para una amplia gama de aplicaciones científicas y tecnológicas. Los ejemplos actuales van desde la condensación de Bose-Einstein hasta el almacenamiento y la lectura de datos basados en espín en unidades de disco duro de última generación, así como desde potentes herramientas analíticas como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear y la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica hasta el desarrollo de la tecnología magnética. Moléculas como qubits y nanopartículas magnéticas . Además, la ingeniería de espín explota la funcionalidad del espín para diseñar materiales con propiedades novedosas, así como para proporcionar una mejor comprensión y aplicaciones avanzadas de los sistemas de materiales convencionales. Muchas reacciones químicas se idean para crear materiales a granel o moléculas individuales con propiedades de espín bien definidas, como un imán de una sola molécula . El objetivo de este artículo es proporcionar un resumen de los campos de investigación y desarrollo centrados en las propiedades y aplicaciones del espín cuántico.
Como el espín es una de las propiedades cuánticas fundamentales de las partículas elementales, es relevante para una amplia gama de fenómenos físicos y químicos. Por ejemplo, el espín del electrón juega un papel clave en la configuración electrónica de los átomos, que es la base de la tabla periódica de elementos. El origen del ferromagnetismo también está estrechamente relacionado con el momento magnético asociado al espín y al principio de exclusión de Pauli dependiente del espín . Así, la ingeniería de materiales ferromagnéticos como los mu-metales o el Alnico a principios del siglo pasado puede considerarse como un ejemplo temprano de ingeniería de espín, aunque el concepto de espín aún no se conocía en ese momento. La ingeniería del espín en su sentido genérico sólo fue posible después de la primera caracterización experimental del espín en el experimento de Stern-Gerlach en 1922, seguido del desarrollo de la mecánica cuántica relativista por Paul Dirac. Esta teoría fue la primera en dar cabida al espín del electrón y su momento magnético.
Mientras que la física de la ingeniería del espín se remonta a los descubrimientos innovadores de la química y la física cuánticas en las primeras décadas del siglo XX, los aspectos químicos de la ingeniería del espín han recibido atención especialmente en los últimos veinte años. Hoy en día, los investigadores se centran en temas especializados, como el diseño y la síntesis de imanes moleculares u otros sistemas modelo para comprender y aprovechar los principios fundamentales detrás de fenómenos como la relación entre el magnetismo y la reactividad química, así como las propiedades mecánicas de los metales relacionadas con la microestructura. y el impacto bioquímico del espín (por ejemplo, proteínas fotorreceptoras ) y el transporte de espín.
La espintrónica es la explotación tanto del espín intrínseco del electrón como de su carga electrónica fundamental en dispositivos de estado sólido y, por tanto, forma parte de la ingeniería del espín. La espintrónica es probablemente uno de los campos más avanzados de la ingeniería del espín, con muchos inventos importantes que se pueden encontrar en dispositivos de usuario final, como los cabezales de lectura para unidades de disco duro magnético. Esta sección se divide en fenómenos espintrónicos básicos y sus aplicaciones.
Esta sección está dedicada a las aplicaciones actuales y posibles futuras de la espintrónica que utilizan uno o la combinación de varios fenómenos espintrónicos básicos:
Materiales cuyas propiedades están determinadas o fuertemente influenciadas por el espín cuántico:
Métodos para caracterizar materiales y procesos físicos o químicos mediante fenómenos basados en espín: