NIST ha obtenido una patente de tecnología que puede acelerar el advenimiento de una nueva generación tan esperada de alto rendimiento, Computadoras de bajo consumo.
Dispositivos microelectrónicos convencionales, en la mayor parte, funcionan manipulando y almacenando cargas eléctricas en transistores y condensadores semiconductores. Hacerlo requiere mucha energía y genera mucho calor, especialmente a medida que los ingenieros de procesos siguen encontrando formas de incluir más y más pequeñas funciones en circuitos integrados. El consumo de energía se ha convertido en uno de los principales obstáculos para un rendimiento mucho mayor.
Un enfoque alternativo muy prometedor, llamado "espintrónica, "utiliza el espín cuántico del electrón para contener información además de la carga. Las dos orientaciones de espín diferentes (normalmente denominadas" arriba "y" abajo ") son análogas a las cargas eléctricas positivas y negativas en la electrónica convencional. Porque cambiar el espín de un electrón requiere muy poca energía y puede suceder muy rápido, la espintrónica ofrece la posibilidad de una importante reducción de energía.
"Nuestro invento, "dice el co-inventor Curt Richter de la División de Física de Ingeniería del NIST, "está diseñado para proporcionar un componente clave en los sistemas espintrónicos. Es muy simple, bloque de construcción fundamental que se puede utilizar de diversas formas. Puede servir como interruptor de encendido y apagado para corrientes de giro, como una interconexión entre diferentes componentes espintrónicos, y como interfaz entre características magnéticas y electrónicas para realizar dispositivos multifuncionales ".
El giro es lo que hace que las cosas magnéticas sean magnéticas:cada electrón se comporta como un imán de barra, con dos polos opuestos. Los materiales en los que la mayoría de los espines de los electrones están alineados en la misma dirección (polarizados) producen un campo magnético con la misma orientación. Los electrones con la misma alineación de espín que el material pasan fácilmente a través de él; los electrones con alineación opuesta están bloqueados.
Esta propiedad se ha aprovechado para hacer "válvulas giratorias" microscópicas, típicamente un canal con una capa magnética en cada extremo. La polaridad relativa de los dos imanes enciende o apaga la válvula:si ambos imanes tienen la misma alineación, la corriente de espín polarizada pasa a través del canal. Si los imanes tienen alineaciones opuestas, la corriente no puede fluir.
El dispositivo se "conmuta" invirtiendo la polaridad de un imán, lo cual se hace aplicando una corriente suficiente de electrones con el espín opuesto. Sin embargo, mover la polaridad del imán requiere más energía de la que los investigadores preferirían.
"Normalmente con válvulas giratorias, "Dice Richter." Tienes que hacer fluir una cantidad significativa de corriente de giro para voltear el componente. Las corrientes más grandes significan que está usando más energía y generando más calor. Nuestro invento reduce drásticamente ambos ".
En primer lugar, los investigadores no tenían la intención de fabricar un dispositivo ni de obtener una patente. Ni siquiera estaban trabajando directamente en el transporte giratorio. Estaban estudiando el comportamiento de una clase diferente de dispositivos comúnmente denominados "memristores" (resistencias de memoria), una tecnología que apenas tiene una década, pero que se anuncia ampliamente como un potencial de alta velocidad, Elemento básico de bajo consumo energético para futuros ordenadores.
Los memristores son sándwiches de microestructura en capas con un electrodo en la parte superior e inferior, entre las cuales hay una capa de metal (por ejemplo, cobre) que es un buen conductor eléctrico y una capa de material (como ciertos óxidos) que es un mal conductor. Esta configuración es también la estructura más común utilizada en un nuevo tipo de memoria llamada memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM o ReRAM). Cuando se aplica un voltaje a los electrodos en una dirección, la corriente puede fluir. Invertir el voltaje apaga la corriente.
Los científicos creen que la razón de este fenómeno es que cuando se aplica un voltaje de polarización en una dirección, hace que los átomos del conductor metálico se difundan e interactúen con el óxido, formando diminutos filamentos metálicos que actúan como canales de baja resistencia penetrando a través de la capa aislante. Si el voltaje se aplica en la dirección opuesta, la capa de óxido está agotada de átomos de metal, y la resistencia aumenta.
De cualquier manera, cuando se elimina el voltaje de polarización, el estado de resistencia del óxido está congelado. Debido a que ese estado fue formado por un sesgo específico aplicado en una dirección específica, el dispositivo "recuerda" su última resistencia. Esa característica hace que los memristores sean atractivos para su uso en la memoria de la computadora "no volátil" en la que la información almacenada no desaparece cuando se apaga la alimentación.
"Así que cuando empezamos, había válvulas giratorias y memristores, "Dice Richter." Pero nadie había pensado en armarlos. Siendo chicos de medición en NIST, originalmente no pensamos en juntarlos para inventar un nuevo dispositivo. Los reunimos para poder realizar mediciones para comprender mejor cómo funcionan los memristores.
"Queríamos investigar cómo se enciende y apaga este interruptor de voltaje. Pensamos que si agregamos giro al análisis, podríamos obtener más información sobre cómo funciona un memristor normal. En el proceso de hacer eso, Hicimos este dispositivo y dijimos 'Oye, esta cosa por sí sola tiene ramificaciones tecnológicas muy interesantes ”. Combina la memoria no volátil en los memristores con la tecnología de una válvula de giro para crear un dispositivo que le permite encender y apagar un canal de giro ".
"Lo que lo hace único es que puede abrir o cerrar un canal de giro con un control eléctrico, "dice el co-inventor Hyuk-Jae Jang." Y así, con una pequeña cantidad de voltaje, podemos encender y apagar la corriente de giro en un tiempo de sub-nanosegundos sin tener que cambiar la polaridad del electrodo ferromagnético de una válvula de giro. Esta operación de alta velocidad y bajo consumo de energía es esencial para construir la tecnología lógica basada en la espintrónica del futuro para reemplazar la tecnología electrónica actual basada en CMOS que se usa para fabricar casi todos los circuitos integrados en la actualidad ".
La patente del NIST cubre los dispositivos fabricados con una variedad de materiales. La combinación principal utilizada en los experimentos de los inventores fue, de abajo hacia arriba, una capa base magnética hecha de cobalto que sirve para polarizar el espín de los electrones, una capa aislante de óxido de tantalio, una capa de cobre, y un electrodo superior de aleación.
En la configuración "activada", los átomos de cobre se introducen en el óxido y sus filamentos se extienden hasta la capa base de cobalto. Invertir el voltaje hace que el cobre retroceda, y "hay una región vacía en la capa de óxido, "Dice Richter." Tan pronto como eso suceda, la corriente se detiene. Podría estar a solo unos pocos átomos de distancia, debido a la caída exponencial con la distancia. Eso lo convierte en un interruptor de muy baja energía ".
John Kramar, Jefe interino de la División de Física de Ingeniería del NIST, califica el trabajo como "una invención muy emocionante que proporciona una gran solución para el problema de la energía de conmutación para las válvulas giratorias. Elimina una barrera tecnológica significativa para que la espintrónica se convierta en un fuerte competidor para la microelectrónica más allá de CMOS".
