Los multiférricos se consideran materiales milagrosos para el almacenamiento de datos en el futuro, siempre que sus propiedades especiales puedan conservarse a las temperaturas de funcionamiento de las computadoras. Esta tarea ahora ha sido realizada por investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI, con colegas del Institut Laue-Langevin ILL en Grenoble. Con este, han llevado estos materiales un paso más hacia las aplicaciones prácticas. El uso de multiferroics es prometedor para computadoras más eficientes desde el punto de vista energético porque un campo eléctrico sería suficiente para el almacenamiento de datos magnéticos. Para producir esto, Se requiere mucha menos energía y enfriamiento que con el almacenamiento magnético convencional. Multiferroics combinan propiedades magnéticas y eléctricas para formar un material que es extremadamente raro. La mayoría de estos materiales solo exhiben estas dos propiedades a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. Para mantener las propiedades magnéticas estables incluso a cien grados, los investigadores han empleado un truco. Utilizaron átomos más pequeños que los empleados en investigaciones anteriores, haciendo que el material sea más compacto. Esto fue suficiente para hacer que su estructura fuera resistente al calor y preservar sus propiedades magnéticas cruciales. Los investigadores publicaron hoy sus resultados en la revista Avances de la ciencia .

Las computadoras a menudo funcionan de forma continua, consumiendo muchos kilovatios hora de electricidad al año. La mayoría de ellos se utilizan para el almacenamiento de datos. Los datos se escriben en discos duros como bits magnéticos en un estado 0 o 1, un proceso que requiere una inversión continua de polaridad de más a menos y viceversa. Esta inversión del polo magnético consume mucha energía, y conduce a una fuerte liberación de calor. Es por eso que las computadoras deben enfriarse intensamente mientras están en funcionamiento. Esto requiere mucha electricidad, altos costos y no es amigable con el medio ambiente. Los científicos han estado buscando durante mucho tiempo un material que elimine esta desventaja del almacenamiento de datos magnético convencional.

Durante algunos años, los llamados multiferroicos magnetoeléctricos han atraído el interés de los investigadores como una posible alternativa. Con estos materiales, la funcionalidad magnética necesaria se puede lograr aplicando un campo eléctrico en lugar de un campo magnético, porque estas dos propiedades físicas están acopladas en el material. Este estado suele ocurrir a temperaturas muy bajas, normalmente por debajo de menos 173 grados Celsius, y se pierde de nuevo a las temperaturas diarias.

Hace dos años, un grupo de trabajo de PSI logró cambiar el límite de temperatura hasta 37 grados centígrados. Este fue un gran paso adelante, pero aún no era suficiente pensar en usarlo en computadoras portátiles y otros sistemas de almacenamiento de datos fuertemente calentados. Ahora, Los investigadores de PSI, Marisa Medarde y Tian Shang, han logrado estabilizar un magnetoeléctrico, material multiferroico que conserva las propiedades magnéticas requeridas incluso a 100 grados centígrados. "Esta temperatura es más de 60 grados centígrados más alta que en el pasado, "Medarde dice encantado." Aunque todavía se necesita mucha más investigación, ahora estamos un poco más cerca de un posible uso de estos materiales en computadoras ".

Dos en uno

La clase relativamente nueva de multiferroicos magnetoeléctricos incluye varias mezclas de elementos químicos. Estos tienen una cosa en común:contienen simultáneamente pequeños imanes y una combinación de cargas eléctricas positivas y negativas, los llamados dipolos eléctricos. Los dipolos eléctricos generalmente se pueden influenciar aplicando un campo eléctrico y pequeños imanes aplicando un campo magnético. Para un material multiferroico, un campo eléctrico es suficiente para ambos. En la práctica, Los campos eléctricos son mucho más fáciles y económicos de producir. Consumen mucha menos electricidad. Esto es lo que hace que los multiferroicos magnetoeléctricos sean tan interesantes desde una perspectiva económica. Pero, ¿cómo se puede lograr lo imposible?

En su laboratorio de PSI, el físico Shang muestra un gris diferente, polvos de cristal blanco y amarillo, que calienta en un horno de laboratorio para preparar los materiales multiferroicos para sus experimentos:"Aquí, usamos bario, cobre, hierro y tierras raras, y los calentamos a más de 1, 100 grados centígrados durante dos días. Luego enfriamos lentamente los polvos a temperatura ambiente, presionarlos en gránulos, y luego calentarlos nuevamente durante 50 horas. Luego se enfrían abruptamente en nitrógeno líquido. "El material gris opaco en el gránulo que resulta de este procedimiento es la llamada perovskita de cobre-hierro en capas, un cristal. Es lo suficientemente pequeño como para caber en la yema de un dedo y a primera vista no parece muy espectacular.

Imanes frustrados

Las características especiales del material se encuentran en el nivel no visible de los átomos, más precisamente:en su estructura de celosía cristalina. Esto se puede representar como compuesto por varias jaulas de celosía apiladas con átomos de bario e itrio en sus esquinas. Dentro de las jaulas Se ubican pequeños imanes fabricados en cobre y hierro. Las fuerzas electromagnéticas actúan entre los imanes individuales, determinando su orientación relativa. Normalmente, dos imanes están alineados paralelos o opuestos entre sí. Pero también puede suceder que las fuerzas magnéticas actúen desde direcciones muy diferentes. Luego, los imanes oscilan como pequeñas agujas de brújula. El término técnico para dicho material es un imán frustrado. Para evitar este estado inestable conservando el magnetismo, los imanes de cobre y hierro se organizan en espiral. Engrandecido, esto parece muchas agujas de brújula superpuestas, cada uno subsiguiente torcido por un pequeño ángulo. "Esta disposición en espiral puede provocar polarización eléctrica y, por tanto, ser responsable de las propiedades ferroeléctricas del material, "explica Medarde.

Por lo tanto, cuando los imanes están dispuestos en espiral, Inducen dipolos eléctricos en la red y el material adquiere propiedades acopladas:eléctricas y magnéticas. A temperaturas normales, las agujas de la brújula pierden su disposición helicoidal, lo que también hace que desaparezcan las propiedades multiferroicas acopladas. El hecho de que las espirales magnéticas del material se pueden "congelar" mediante un enfriamiento muy rápido ya se había demostrado a Medarde y su grupo en un trabajo anterior. En su última investigación, Medarde y Shang ahora han ajustado la red cristalina multiferroica. Con pequeños ajustes microscópicos, han logrado elevar su estabilidad de temperatura hasta los 100 grados centígrados.

La proximidad crea fuerza

Además de enfriar el material extremadamente rápido, Shang utilizó un truco que los químicos conocen desde hace mucho tiempo:simplemente redujo las distancias entre algunos átomos en la red cristalina, acercándolos el uno al otro. Como resultado de la nueva, diseño más compacto, las fuerzas electromagnéticas en el cristal cambiaron de tal manera que la estructura en espiral de los imanes de cobre-hierro permaneció estable incluso a temperaturas más altas.

Shang logró esto reemplazando algunos átomos de bario en la red cristalina con los átomos más pequeños del elemento estroncio. Agregó el estroncio durante la producción del material en el horno de reacción antes de finalmente enfriar el material nuevamente de la manera establecida.

Próximo, el físico quería saber si la combinación de los dos métodos había tenido realmente el efecto deseado. Shang estudió el material gris-negro utilizando varios métodos de medición, incluidas las investigaciones en la fuente de neutrones de espalación suiza SINQ, una instalación de investigación a gran escala en PSI. Con la ayuda de instrumentos especiales, logró identificar la huella dactilar de las espirales magnéticas. De particular importancia para el investigador fue un instrumento con el complicado nombre de un difractómetro de neutrones. Con este dispositivo, que Shang utilizó tanto en SINQ como en el Institut Laue-Langevin ILL en Grenoble, descubrió dónde están ubicados los átomos en la red cristalina y qué tan separados están unos de otros.

"El efecto del enfriamiento rápido del material más el de disminuir la distancia entre los átomos se suman. El rango de estabilidad de la espiral magnética es ahora mucho más alto que antes, ", dijo Shang. Por lo tanto, ha alcanzado el rango de temperatura necesario para su uso en computadoras. Sin embargo, según los físicos, llevará un tiempo que el material se utilice realmente para almacenar datos en el futuro. Para esto, también tendrá que actuar en capas de película fina, donde se utiliza mucho menos material. Medarde y Shang ya están trabajando en esto. Y están intentando exprimir aún más el cristal de perovskita incorporando átomos que son incluso más pequeños que el estroncio. Si ambas estrategias tienen éxito, Existe una gran posibilidad de que el material multiferroico algún día sea la base para revolucionar la tecnología de almacenamiento de datos.