Un nuevo enfoque para controlar el magnetismo en un microchip podría abrir las puertas a la memoria, informática, y dispositivos de detección que consumen drásticamente menos energía que las versiones existentes. El enfoque también podría superar algunas de las limitaciones físicas inherentes que han estado frenando el progreso en esta área hasta ahora.

Investigadores del MIT y del Laboratorio Nacional Brookhaven han demostrado que pueden controlar las propiedades magnéticas de un material de película delgada simplemente aplicando un pequeño voltaje. Los cambios en la orientación magnética realizados de esta manera permanecen en su nuevo estado sin necesidad de energía continua, a diferencia de los chips de memoria estándar de hoy, el equipo ha encontrado.

El nuevo hallazgo se informa hoy en la revista. Materiales de la naturaleza , en un artículo de Geoffrey Beach, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y codirector del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT; el estudiante de posgrado Aik Jun Tan; y otros ocho en MIT y Brookhaven.

Spin doctores

A medida que los microchips de silicio se acercan a los límites físicos fundamentales que podrían limitar su capacidad para continuar aumentando sus capacidades mientras disminuyen su consumo de energía, Los investigadores han estado explorando una variedad de nuevas tecnologías que podrían sortear estos límites. Una de las alternativas prometedoras es un enfoque llamado espintrónica, que hace uso de una propiedad de los electrones llamada espín, en lugar de su carga eléctrica.

Debido a que los dispositivos espintrónicos pueden conservar sus propiedades magnéticas sin necesidad de energía constante, qué chips de memoria de silicio requieren, necesitan mucha menos energía para funcionar. También generan mucho menos calor, otro factor limitante importante para los dispositivos actuales.

Pero la tecnología espintrónica adolece de sus propias limitaciones. Uno de los ingredientes que más faltan ha sido una forma de controlar de forma fácil y rápida las propiedades magnéticas de un material eléctricamente, aplicando un voltaje. Muchos grupos de investigación de todo el mundo han perseguido ese desafío.

Los intentos anteriores se han basado en la acumulación de electrones en la interfaz entre un imán metálico y un aislante, utilizando una estructura de dispositivo similar a un condensador. La carga eléctrica puede cambiar las propiedades magnéticas del material, pero solo por una cantidad muy pequeña, lo que lo hace poco práctico para su uso en dispositivos reales. También ha habido intentos de utilizar iones en lugar de electrones para cambiar las propiedades magnéticas. Por ejemplo, Se han utilizado iones de oxígeno para oxidar una fina capa de material magnético. provocando cambios extremadamente grandes en las propiedades magnéticas. Sin embargo, la inserción y eliminación de iones de oxígeno hace que el material se hinche y encoja, causando daños mecánicos que limitan el proceso a unas pocas repeticiones, lo que lo vuelve esencialmente inútil para dispositivos computacionales.

El nuevo hallazgo demuestra una forma de evitar eso, mediante el uso de iones de hidrógeno en lugar de los iones de oxígeno mucho más grandes utilizados en intentos anteriores. Dado que los iones de hidrógeno pueden entrar y salir con mucha facilidad, el nuevo sistema es mucho más rápido y ofrece otras ventajas importantes, dicen los investigadores.

Debido a que los iones de hidrógeno son mucho más pequeños, pueden entrar y salir de la estructura cristalina del dispositivo espintrónico, cambiando su orientación magnética cada vez, sin dañar el material. De hecho, el equipo ha demostrado ahora que el proceso no produce degradación del material después de más de 2, 000 ciclos. Y, a diferencia de los iones de oxígeno, el hidrógeno puede atravesar fácilmente las capas metálicas, lo que permite al equipo controlar las propiedades de las capas profundas en un dispositivo que no se podría controlar de ninguna otra manera.

"Cuando bombeas hidrógeno hacia el imán, la magnetización gira, "Tan dice." En realidad, puede alternar la dirección de la magnetización en 90 grados aplicando un voltaje, y es completamente reversible ". Dado que la orientación de los polos del imán es lo que se usa para almacenar información, esto significa que es posible escribir y borrar fácilmente "bits" de datos en dispositivos espintrónicos usando este efecto.

Playa, cuyo laboratorio descubrió el proceso original para controlar el magnetismo a través de iones de oxígeno hace varios años, dice que el hallazgo inicial desató una amplia investigación sobre una nueva área denominada "iónica magnética, "y ahora este hallazgo más reciente ha" dado vuelta a todo este campo ".

Esencialmente, Beach explica, él y su equipo están "intentando hacer un análogo magnético de un transistor, "que se puede encender y apagar repetidamente sin degradar sus propiedades físicas.

Solo agrega agua

El descubrimiento se produjo en parte, a través de la serendipia. Mientras experimenta con materiales magnéticos en capas en busca de formas de cambiar su comportamiento magnético, Tan descubrió que los resultados de sus experimentos variaban mucho de un día a otro por razones que no eran evidentes. Finalmente, examinando todas las condiciones durante las diferentes pruebas, se dio cuenta de que la diferencia clave era la humedad en el aire:el experimento funcionó mejor en días húmedos que en días secos. La razón, eventualmente se dio cuenta, era que las moléculas de agua del aire se estaban dividiendo en oxígeno e hidrógeno en la superficie cargada del material, y mientras el oxigeno se escapaba al aire, el hidrógeno se ionizó y estaba penetrando en el dispositivo magnético y cambiando su magnetismo.

El dispositivo que ha producido el equipo consta de un sándwich de varias capas delgadas, incluyendo una capa de cobalto donde tienen lugar los cambios magnéticos, intercalado entre capas de un metal como paladio o platino, y con una capa de óxido de gadolinio, y luego una capa de oro para conectarse a la tensión eléctrica de conducción.

El magnetismo se cambia con solo una breve aplicación de voltaje y luego permanece fijo. Revertirlo no requiere energía en absoluto, simplemente cortocircuitando el dispositivo para conectar sus dos lados eléctricamente, mientras que un chip de memoria convencional requiere energía constante para mantener su estado. "Ya que solo estás aplicando un pulso, el consumo de energía puede disminuir, "Dice Beach.

Los nuevos dispositivos, con su bajo consumo de energía y alta velocidad de conmutación, eventualmente podría ser especialmente útil para dispositivos como la informática móvil, Playa dice, pero el trabajo se encuentra todavía en una etapa inicial y requerirá un mayor desarrollo.

"Puedo ver prototipos basados ​​en laboratorio en unos pocos años o menos, ", dice. Crear una celda de memoria de trabajo completa es" bastante complejo "y puede llevar más tiempo, él dice.