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  • Los remolinos a nanoescala podrían multiplicar la memoria magnética

    La microscopía de rayos X suave de transmisión magnética muestra el reverso de la circularidad de espín en vórtices magnéticos en una fila de nanodiscos, después de aplicar un pulso de campo magnético de 1,5 nanosegundos. El cambio de izquierda a derecha no es un cambio de iluminación, como puede parecer, sino que se debe al cambio de contraste magnético. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

    La investigación en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley promete celdas magnéticas de cuatro bits en lugar de los dominios magnéticos de dos bits de las memorias magnéticas estándar. Los vórtices magnéticos son remolinos de campo magnético, en el que los espines del electrón apuntan en sentido horario o antihorario. En el centro abarrotado del remolino, los giros apuntan hacia abajo o hacia arriba. Estas cuatro orientaciones podrían representar bits de información separados en un nuevo tipo de memoria, si se controla de forma independiente y simultánea.

    "Gastamos el 15 por ciento de la energía del hogar en dispositivos en 2009, y compramos más dispositivos todo el tiempo, "dice Peter Fischer, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. pretende que ayude a resolver problemas urgentes.

    "En lo que estamos trabajando ahora podría hacer que estos dispositivos funcionen cientos de veces mejor y también sean cien veces más eficientes desde el punto de vista energético, "dice Fischer, un científico de planta en la División de Ciencias de los Materiales. Como investigador principal del Centro de Óptica de Rayos X, dirige la línea de luz ALS 6.1.2, donde se especializa en estudios de magnetismo.

    Fischer brindó recientemente un apoyo fundamental a un equipo dirigido por Vojtĕch Uhlíř de la Universidad de Tecnología de Brno en la República Checa y el Centro de Investigación de Grabación Magnética de la Universidad de California. San Diego. Investigadores de ambas instituciones y de Berkeley Lab utilizaron las capacidades únicas de la línea de luz 6.1.2 para avanzar en un nuevo concepto de memoria magnética.

    "La memoria magnética está en el corazón de la mayoría de los dispositivos electrónicos, "dice Fischer, "y desde el punto de vista del científico, el magnetismo se trata de controlar el giro de los electrones ".

    Las memorias magnéticas almacenan bits de información en unidades discretas cuyos electrones giran todos alineados en paralelo, apuntando hacia un lado o al contrario para significar un uno o un cero. Lo que proponen Fischer y sus colegas es un almacenamiento multibit en el que cada unidad tiene cuatro estados en lugar de dos y puede almacenar el doble de información.

    La clave son los vórtices magnéticos, remolinos de campo magnético, confinados a pequeños discos de metal de unas pocas mil millonésimas de metro (nanómetros) de diámetro. Los giros de los electrones buscan la menor energía posible; giros que apuntan en direcciones opuestas, antiparalelo Coste la energía. Así, los electrones se alinean con todos sus espines apuntando en un círculo, ya sea en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor del disco.

    En el centro del vórtice sin embargo, donde los círculos se hacen cada vez más pequeños y los giros vecinos inevitablemente se alinearían en antiparalelo, tienden a inclinarse fuera del avión, apuntando hacia arriba o hacia abajo.

    "Por lo tanto, cada disco tiene cuatro bits en lugar de dos (circularidad izquierda o derecha y polaridad ascendente o descendente del núcleo), pero debe poder controlar la orientación de cada uno de forma independiente. "dice Fischer.

    El electrón gira en un vórtice magnético, todos apuntan en paralelo, ya sea en sentido horario o antihorario. Los giros en el núcleo abarrotado del vórtice deben apuntar fuera del avión, ya sea hacia arriba o hacia abajo. Las cuatro posibles orientaciones de circularidad y polaridad podrían formar las células de los sistemas de procesamiento y almacenamiento magnético multibit. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

    Hasta, abajo, y alrededor - tomando el control

    Aplicando un fuerte, El campo magnético externo constante puede invertir la polaridad del núcleo, pero los dispositivos prácticos no pueden tolerar campos fuertes, y necesitan conmutadores más rápidos. Investigadores anteriores de la ALS habían descubierto que con campos magnéticos oscilantes débiles en el plano del nanodisco, podían empujar rápidamente el núcleo fuera de su posición central y obtener el mismo resultado.

    "En lugar de un campo estático, lo mueves, "Explica Fischer. A medida que el núcleo se aleja del centro del disco, Ondas magnéticas sucesivas (cambios en la orientación del giro) mueven el núcleo cada vez más rápido hasta que su polaridad cambia a la orientación opuesta.

    El equipo utilizó la línea de luz ALS 6.1.2 para demostrar, por primera vez, que métodos similares pueden controlar la circularidad de los vórtices magnéticos.

    En este caso, el "meneo" impulsa el núcleo justo fuera del borde del disco. Una vez que es expulsado, el vórtice se derrumba y se reforma, con giros apuntando en la dirección opuesta:en el sentido de las agujas del reloj en lugar de en el sentido contrario, o viceversa.

    Beamline 6.1.2 se especializa en microscopía de transmisión de rayos X suave de estados magnéticos, lo que permitió a los investigadores realizar imágenes directas de cómo la fuerza y ​​duración de los trenes de pulsos eléctricos y magnéticos afectaban la circularidad del vórtice. Descubrieron que el control depende de la geometría del disco.

    Todos los discos estaban ahusados, con cortes diagonales de sus superficies superiores que sirvieron para acelerar el núcleo, una vez que empezó a moverse. Pero el grosor y el diámetro eran los factores importantes:cuanto más pequeño era el disco, el mejor.

    Los discos "gruesos" (30 nanómetros) de más de mil nanómetros de diámetro eran lentos, tardando más de tres nanosegundos en cambiar la circularidad. Pero los discos de solo 20 nanómetros de grosor y 100 nanómetros de ancho podrían cambiar de orientación en menos de medio nanosegundo.

    Queda mucho por hacer antes de que el multibit de cuatro valores sea práctico, La polaridad se puede controlar, y la circularidad se puede controlar, pero hasta ahora no se pueden controlar al mismo tiempo. Los planes para hacer esto están en proceso.

    "Esta es la base científica para posibles aplicaciones futuras, ", dice Fischer." Ya estamos buscando formas de controlar el giro con la temperatura y el voltaje, en cómo desacoplar completamente el giro de las corrientes de carga, e incluso en formas de acoplar cadenas de nanodiscos para construir dispositivos lógicos, no solo para la memoria, sino para el cálculo ".

    En opinión de Fischer, Las herramientas de microscopios de rayos X suaves de ALS están en la primera posición para la carrera en la investigación del magnetismo. "Ningún método, además de la microscopía de rayos X, puede proporcionar información igualmente completa, tanto para identificar los materiales magnéticos como para obtener imágenes de la dinámica más rápida de estados magnéticos en la nanoescala. Los instrumentos que tenemos son únicos y sirven a toda la comunidad vortex, en todo el mundo."


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