Almacenando información con espirales. En la mayoría de las memorias de computadora, los valores 0/1 están asociados a la orientación derecha / izquierda de pequeños imanes. En una memoria magnetoeléctrica prospectiva, los mismos imanes diminutos están dispuestos formando texturas en espiral. En este caso, los valores 0/1 corresponden a su sentido de rotación (izquierda / derecha). Crédito:Instituto Paul Scherrer / Marisa Medarde
Un nuevo material podría convertirse en la base de futuros dispositivos de almacenamiento de datos. ya que puede permitir reducciones significativas en la demanda de energía en comparación con los discos duros actuales. Este es un material de la clase de los llamados multiferroicos magnetoeléctricos, cuya característica distintiva es que sus propiedades magnéticas y eléctricas están acopladas entre sí. Gracias a este acoplamiento, debería ser posible escribir bits magnéticos por medio de campos eléctricos más eficientes desde el punto de vista energético. Durante mucho tiempo se esperaba que esta clase de materiales pudiera servir como base para las memorias de las computadoras en el futuro. La ventaja del material multiferroico de nuevo desarrollo:exhibe las propiedades magnéticas necesarias incluso a temperatura ambiente, y no solo, como ocurre con la mayoría de los multiferroicos magnetoeléctricos hasta la fecha, cuando se enfrían a temperaturas muy bajas, típicamente menos 200 grados Celsius. Los investigadores de PSI informan sus nuevos resultados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .
Los investigadores del PSI han creado un nuevo material que tiene un enorme potencial para futuros medios de almacenamiento de datos. Se trata de un material denominado multiferroico magnetoeléctrico con una mejora crucial:conserva las propiedades magnéticas necesarias hasta la temperatura ambiente y, por lo tanto, es adecuado para fines cotidianos.
Los materiales multiferroicos magnetoeléctricos son extremadamente raros. En ellos, las propiedades magnéticas y eléctricas están acopladas entre sí. Como resultado, las propiedades magnéticas se pueden controlar mediante la aplicación de un campo eléctrico. Los campos eléctricos se pueden generar de manera más fácil y eficiente que los campos magnéticos. Cuando se aplica un campo eléctrico a multiferroics magnetoeléctricos, tiene un efecto sobre las propiedades eléctricas del material. A través del acoplamiento magnetoeléctrico, luego obtienes un cambio en las propiedades magnéticas de forma gratuita, dice Marisa Medarde, autor principal del nuevo estudio, describiendo esta clase especial de materiales.
Almacenar datos y ahorrar energía
Los discos duros de las computadoras actuales almacenan datos en forma de bits magnéticos que se escriben mediante la aplicación de un campo magnético. A diferencia de, Los medios de almacenamiento basados en multiferroics tendrían varias ventajas:el almacenamiento magnético podría lograrse mediante la aplicación de un campo eléctrico, que requeriría significativamente menos energía; los dispositivos producirían menos calor residual y, por lo tanto, también tendrían menores demandas de refrigeración, permitiendo reducir el uso de ventiladores y aire acondicionado. Dado que la computación en la nube consume muchos billones de kilovatios-hora de energía al año, Los ahorros en esta área son de gran importancia.
Los investigadores de la ISP Mickaël Morin y Marisa Medarde congelan la disposición atómica del material multiferroico YBaCuFeO5. Para esto, la pieza de material se calienta primero en un horno a 1000 grados Celsius y luego se deja caer en un recipiente lleno de nitrógeno líquido frío a menos 200 grados Celsius. Crédito:Instituto Paul Scherrer / Markus Fischer
En casi todos los materiales, magnetismo, como se encuentra, por ejemplo, en el hierro, y la ferroelectricidad, una propiedad eléctrica particular de los materiales, se excluyen mutuamente. Aquí los materiales multiferroicos representan una excepción:son tanto magnéticos como ferroeléctricos; además, estas dos propiedades están acopladas entre sí. Materiales que los científicos han podido crear hasta ahora, sin embargo, muestran un comportamiento multiferroico casi exclusivamente a temperaturas muy bajas, como menos 200 grados Celsius. El nuevo material de los investigadores de la ISP es una innovación en este sentido.
Síntesis, optimización de la propiedad, y análisis en el PSI
Los investigadores crearon su nuevo material adaptando a la medida tanto su composición química como el proceso de producción exacto. Finalmente encontraron que el material con la fórmula química YBaCuFeO5 es adecuado, y que produce los mejores resultados cuando se calienta por primera vez a una temperatura alta y luego se somete a un enfriamiento extremadamente rápido. A altas temperaturas, los átomos se organizan de tal manera que sean útiles para nuestros propósitos, Medarde explica. El enfriamiento rápido esencialmente congela esta disposición en su lugar. El método subyacente de enfriamiento rápido, también conocido como enfriamiento, es familiar por la fabricación de metales especialmente duros y se ha utilizado durante siglos. por ejemplo, en espadas de acero templado. Los investigadores de PSI, sin embargo, aplicaron temperaturas mucho más extremas:Primero calentaron su material a 1000 grados Celsius y luego lo enfriaron abrupta y rápidamente a menos 200 grados Celsius. Después de sacar el material de este baño de enfriamiento, conserva sus características magnéticas especiales hasta y algo por encima de la temperatura ambiente.
El procedimiento de síntesis y optimización de propiedades se desarrolló en el PSI, donde los materiales también se produjeron y posteriormente se analizaron en dos instalaciones de investigación a gran escala, la fuente de neutrones por espalación suiza SINQ y la fuente de luz suiza SLS. Nuestro nuevo material no contiene ingredientes costosos, Medarde se complace en informar. Y el método de producción, ahora que hemos resuelto los detalles, es fácil de poner en práctica.
Espirales magnéticas vistas por neutrones. La imagen muestra la intensidad del haz de neutrones desviado después de pasar a través de la muestra. Las dos líneas amarillas / verdes son la firma de la espiral magnética, que es claramente visible de 2 a 310 Kelvin (menos 275 a más 37 grados Celsius). Crédito:M. Morin et al., Comunicaciones de la naturaleza
El nuevo material debe sus propiedades a la existencia de las llamadas espirales magnéticas a nivel atómico. Estas pequeñas espirales son responsables del acoplamiento del magnetismo y la ferroelectricidad. En la mayoría de los materiales, las espirales magnéticas desaparecen cuando el material se calienta a menos de 200 grados Celsius. Los investigadores de PSI ven su principal logro en haber creado un material en el que las espirales magnéticas son estables a temperatura ambiente. Incluso a 30 grados Celsius, nuestras espirales magnéticas todavía estaban presentes, Dice Medarde.
Un pariente de los superconductores de alta temperatura.
De hecho, el material YBaCuFeO5 no es completamente nuevo. En realidad, el compuesto se sintetizó por primera vez en 1988. Ahora, sin embargo, El proceso de fabricación especial de los investigadores de PSI organiza con precisión los átomos de hierro y cobre de tal manera que el material adquiere propiedades completamente nuevas. YBaCuFeO 5 está estrechamente relacionado con el óxido de cobre-bario ytrio, notación química YBa 2 Cu 3 O 6 + x , un grupo de superconductores descubiertos en 1987 que permanecen superconductores hasta temperaturas relativamente altas:algunos de ellos pierden su propiedad superconductora a temperaturas alrededor de menos 180 grados Celsius, es decir, alrededor de 200 grados por debajo de la temperatura del orden de la espiral del nuevo material desarrollado en PSI.
