Investigadores en ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Minnesota han creado una unión de túnel magnético que puede ser conmutada por un pulso de luz que dura una billonésima de segundo, un nuevo récord. La unión del túnel magnético es fundamental para los avances de la tecnología de la información con la terminación de la ley de Moore, un principio que ha gobernado la industria de la microelectrónica durante cinco décadas.

Este avance es prometedor para el desarrollo de nuevos ópticamente controlado, Dispositivos magnéticos ultrarrápidos denominados colectivamente espintrónica (electrónica que combina nanotecnologías ópticas y magnéticas). Estos dispositivos podrían dar lugar a innovaciones en el almacenamiento, Procesando, y comunicación de información. Un ejemplo de tal innovación sería el desarrollo de un sistema que, como el cerebro humano, puede almacenar y analizar una gran cantidad de datos simultáneamente. Los detalles del dispositivo y las pruebas realizadas en él se informan en un artículo publicado recientemente en Revisión física aplicada , una revista de la Sociedad Estadounidense de Física.

Típicamente, la unión del túnel magnético tiene una estructura tipo "sándwich" compuesta por dos capas de materiales magnéticos con una capa aislante, llamada barrera, en el centro. La información se escribe en el material magnético invirtiendo la magnetización de una de las capas. Este proceso de inversión a menudo implica un movimiento en espiral en los electrones giratorios, llamado procesamiento de giro. Sin embargo, Existe una limitación sobre la rapidez con que puede ser el procesamiento de centrifugado. Los frenos se aplican a aproximadamente 1,6 GHz, un récord de velocidad actual que es mucho más lento que los transistores de silicio. Para permitir velocidades de escritura más rápidas, deben superarse las limitaciones de velocidad.

"Con nuestra invención de una nueva unión de túnel magnético, ahora hay una forma de acelerar las cosas, "dijo Mo Li, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota que dirigió la investigación.

Inspirado en el descubrimiento de 2007 de científicos holandeses y japoneses que muestra que la magnetización de una aleación de un elemento de tierras raras, llamado gadolinio (Gd), con hierro (Fe), y el cobalto (Co) podría cambiarse mediante pulsos de luz, Los investigadores de la Universidad de Minnesota utilizaron la aleación para reemplazar la capa magnética superior de una unión de túnel magnético convencional. Otra modificación que hicieron al dispositivo fue usar un material eléctrico transparente llamado óxido de indio y estaño para que el electrodo permitiera que la luz pasara a través de él. Estas capas se apilan en un pilar con un diámetro de 10 μm, que es solo una décima parte del diámetro de un cabello humano típico.

Para probar su trabajo, Los investigadores enviaron pulsos de láser al dispositivo modificado utilizando un láser de bajo costo basado en fibras ópticas que emite pulsos ultracortos de luz infrarroja. Los pulsos se envían uno en cada microsegundo (una millonésima de segundo), pero cada pulso es más corto que una billonésima de segundo. Cada vez que un pulso golpea el pilar de unión del túnel magnético, los científicos observaron un salto en el voltaje en el dispositivo. El cambio de voltaje confirma que la resistencia del "sándwich" de la unión del túnel magnético cambia cada vez que se cambia la magnetización de la capa de GdFeCo. Debido a que cada pulso láser dura menos de 1 picosegundo (una millonésima de microsegundo), el dispositivo es capaz de recibir datos a una velocidad asombrosa de 1 terabit por segundo.

Li dijo que la investigación tiene perspectivas interesantes. "Nuestro resultado establece un nuevo medio de comunicación entre la fibra óptica y los dispositivos magnéticos. Mientras que la fibra óptica ofrece una velocidad de datos ultra alta, Los dispositivos magnéticos pueden almacenar datos de forma no volátil con alta densidad, " él dijo.

Profesor Jian-Ping Wang, director del Centro de Materiales Espintrónicos, Interfaces, y Novel Structures (C-SPIN) con sede en la Universidad de Minnesota y coautor del estudio, también ve una gran promesa. “Los resultados ofrecen un camino hacia una nueva categoría de dispositivos espintrónicos ópticos que tienen el potencial de abordar los desafíos futuros para el desarrollo de sistemas inteligentes futuros.

"Estos sistemas podrían usar dispositivos de espín como neuronas y sinapsis para realizar funciones de computación y almacenamiento al igual que el cerebro". mientras usa la luz para comunicar la información, "Dijo Wang.

El objetivo final del equipo de investigación es reducir el tamaño de la unión del túnel magnético a menos de 100 nanómetros y reducir la energía óptica requerida. Para tal fin, el equipo continúa su investigación, y actualmente se dedica a optimizar el material y la estructura del dispositivo, y trabajando para integrarlo con nanofotónica. Además de Li y Wang, asociado postdoctoral Junyang Chen, y el estudiante de posgrado Li He son los autores principales del artículo.