Investigadores de UC Berkeley y UC Riverside han desarrollado un nuevo método ultrarrápido para controlar eléctricamente el magnetismo en ciertos metales, un avance que podría conducir a un rendimiento mucho mayor y tecnologías de procesamiento y memoria de computadora más eficientes desde el punto de vista energético.

Los hallazgos del grupo, dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) de Berkeley, Jeffrey Bokor, se publican en un par de artículos en las revistas Avances de la ciencia (Vol. 3, No. 49, 3 de noviembre 2017) y Letras de física aplicada (Vol. III, No. 4, 24 de julio 2017).

Las computadoras utilizan diferentes tipos de tecnologías de memoria para almacenar datos. Memoria a largo plazo, normalmente un disco duro o una unidad flash, debe ser denso para almacenar la mayor cantidad de datos posible. Pero la unidad central de procesamiento (CPU), el hardware que permite que las computadoras computen, requiere su propia memoria para el almacenamiento de información a corto plazo mientras se ejecutan las operaciones. La memoria de acceso aleatorio (RAM) es un ejemplo de este tipo de memoria a corto plazo.

La lectura y escritura de datos en la RAM debe ser extremadamente rápida para mantenerse al día con los cálculos de la CPU. La mayoría de las tecnologías RAM actuales se basan en la retención de carga (electrones), y se puede escribir a velocidades de miles de millones de bits por segundo (o bits / nanosegundo). La desventaja de estas tecnologías basadas en cargos es que son volátiles, requiriendo energía constante o de lo contrario perderán los datos.

En años recientes, alternativas magnéticas a la RAM, conocida como memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM), han llegado al mercado. La ventaja de los imanes es que retienen información incluso cuando la memoria y la CPU están apagadas. permitiendo el ahorro de energía. Pero esa eficiencia se obtiene a expensas de la velocidad. Un desafío importante para MRAM ha sido acelerar la escritura de un solo bit de información a menos de 10 nanosegundos.

"El desarrollo de una memoria no volátil que sea tan rápida como las memorias de acceso aleatorio basadas en carga podría mejorar drásticamente el rendimiento y la eficiencia energética de los dispositivos informáticos, "dice Bokor, quien también es científico senior en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab). "Eso nos motivó a buscar nuevas formas de controlar el magnetismo en materiales a velocidades mucho más altas que en el MRAM actual".

"Inspirado en experimentos recientes en los Países Bajos sobre la conmutación magnética ultrarrápida con pulsos de láser cortos, construimos circuitos especiales para estudiar cómo los metales magnéticos responden a pulsos eléctricos tan breves como unas pocas billonésimas de segundo, "o picosegundos, dice el coautor Yang Yang (MS'13 Ph.D.'17 MSE). "Descubrimos que en una aleación magnética compuesta de gadolinio y hierro, Estos pulsos eléctricos rápidos pueden cambiar la dirección del magnetismo en menos de 10 picosegundos. Eso es órdenes de magnitud más rápido que cualquier otra tecnología MRAM ".

"El pulso eléctrico aumenta temporalmente la energía de los electrones del átomo de hierro, "dice Richard Wilson, actualmente es profesor asistente de ingeniería mecánica en UC Riverside que comenzó su trabajo en este proyecto como investigador postdoctoral en EECS en Berkeley. "Este aumento de energía hace que el magnetismo en los átomos de hierro y gadolinio ejerzan un par de torsión entre sí, y eventualmente conduce a una reorientación de los polos magnéticos del metal. Es una forma completamente nueva de utilizar corrientes eléctricas para controlar los imanes ".

Después de su demostración inicial de escritura eléctrica en la aleación especial de gadolinio y hierro, el equipo de investigación buscó formas de expandir su método a una clase más amplia de materiales magnéticos. "Las propiedades magnéticas especiales de la aleación de gadolinio-hierro son las que hacen que esto funcione, "dice Charles-Henri Lambert, un postdoctorado de Berkeley EECS. "Por lo tanto, encontrar una manera de expandir nuestro enfoque de escritura eléctrica rápida a una clase más amplia de materiales magnéticos fue un desafío emocionante ".

Abordar este último desafío fue objeto de un segundo estudio, publicado en Letras de física aplicada en julio. "Descubrimos que cuando apilamos un metal magnético de un solo elemento, como el cobalto, sobre la aleación de gadolinio-hierro, la interacción entre las dos capas también nos permite manipular el magnetismo del cobalto en escalas de tiempo sin precedentes, "dice Jon Gorchon, una investigación postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales en Lawrence Berkeley Lab y en EECS en UC Berkeley.

"Juntos, Estos dos descubrimientos proporcionan una ruta hacia memorias magnéticas ultrarrápidas que permiten una nueva generación de alto rendimiento, procesadores de computación de baja potencia con alta velocidad, memorias no volátiles directamente en el chip, "Dice Bokor.