Debido a su potencial para hacer que las computadoras sean más rápidas y los teléfonos inteligentes más eficientes, la espintrónica se considera un concepto prometedor para el futuro de la electrónica. En una colaboración que incluye el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) y Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Un equipo de investigadores ha generado ahora con éxito las llamadas ondas de espín mucho más fácil y eficientemente de lo que se creía posible anteriormente. Los investigadores presentan sus resultados en la revista Cartas de revisión física .

Los chips de computadora modernos se basan en el transporte de cargas eléctricas. Cada evento de procesamiento hace que fluya una corriente de electrones en un componente electrónico. Estos electrones encuentran resistencia, que genera calor no deseado. Cuanto más pequeñas sean las estructuras de un chip, más difícil es disipar el calor. Esta arquitectura basada en carga también es en parte la razón por la que las velocidades de reloj de los procesadores no han experimentado aumentos significativos en años. La curva de desarrollo constante del rendimiento y la velocidad del chip ahora se está aplanando. "Los conceptos existentes están llegando a sus límites, "explica el Dr. Sebastian Wintz del Instituto de Investigación de Materiales y Física de Rayos de Iones en HZDR." Es por eso que estamos trabajando en una nueva estrategia, las ondas giratorias ".

Este enfoque ya no implica gastos de transporte, pero solo transfiere el momento angular intrínseco de los electrones (espín) en un material magnético. Los electrones mismos permanecen estacionarios, mientras que solo cambian sus giros. Dado que los espines de los electrones vecinos se detectan entre sí, un cambio en un giro puede viajar a sus vecinos. El resultado es una señal magnética que atraviesa el material como una onda:una onda de giro. La ventaja de los componentes accionados por rotación es que generarían muy poco calor, lo que significa que podrían consumir mucha menos energía, y esto es de gran interés para dispositivos móviles como teléfonos inteligentes. También puede ser posible miniaturizar aún más los componentes para ciertas aplicaciones porque las ondas de espín tienen longitudes de onda mucho más cortas que las señales electromagnéticas comparables. por ejemplo, en comunicaciones móviles. Esto significa que podríamos colocar más circuitos en un chip de los que podemos hacer hoy.

Agitando una onda de giro con un vórtice magnético

Antes de que podamos hacer todo esto primero necesitamos mucha más investigación fundamental. Por ejemplo, necesitamos saber cómo generar ondas de espín de manera eficiente. Los expertos han estado tratando de resolver esto por un tiempo, uniendo tiras de metal del tamaño de un micrómetro en finas capas magnéticas. Una corriente alterna que atraviesa esta tira crea un campo magnético que se limita a un espacio muy pequeño. Este campo entonces excitará una onda de giro en la capa magnética. Pero este método tiene una desventaja:es difícil hacer que la longitud de onda de las ondas de giro generadas sea menor que el ancho de la tira de metal, lo cual es desfavorable para el desarrollo de componentes altamente integrados con estructuras de tamaño nanométrico.

Sin embargo, hay una alternativa:un material magnético con forma de discos circulares evoca la formación de vórtices magnéticos cuyos núcleos no miden más de unos diez nanómetros. Un campo magnético puede hacer oscilar este núcleo de vórtice, que desencadena una onda de giro en la capa. "Hace tiempo, necesitábamos materiales de varias capas relativamente complejos para que esto sucediera, "Wintz informa." Ahora hemos logrado enviar ondas de giro desde núcleos de vórtice en un material muy simple ". Ellos utilizan una capa de aleación de níquel-hierro fácil de fabricar de unos 100 nanómetros de espesor.

Longitudes de onda inesperadamente cortas

Lo que es notable es la longitud de onda de las ondas de giro generadas:apenas 80 nanómetros. "La comunidad de expertos se sorprendió de que hiciéramos esto con un material tan simple, "dice el Dr. Georg Dieterle, quien exploró el fenómeno en su Ph.D. tesis en MPI-IS. "Tampoco esperábamos poder generar ondas tan cortas en frecuencias en el rango inferior de gigahercios". Los expertos piensan que la razón de las longitudes de onda cortas reside en la forma en que viajan. Cerca del centro de la sección transversal de la capa de níquel hierro, la onda de giro forma una especie de "nudo", dentro del cual la dirección magnética oscila solo hacia arriba y hacia abajo en lugar de a lo largo de su trayectoria generalmente circular.

Para hacer visibles estos fenómenos, el equipo utilizó un microscopio de rayos X especial en el anillo de almacenamiento de electrones BESSY II en el Helmholtz Zentrum Berlin. "Este es el único lugar en la tierra que ofrece las resoluciones de espacio y tiempo necesarias en esta combinación, "enfatiza la profesora Gisela Schütz, director de MPI-IS. "Sin este microscopio, no hubiéramos podido observar estos efectos ". Ahora los expertos esperan que sus resultados ayuden a promover el desarrollo de la espintrónica". Nuestros núcleos de vórtice podrían, por ejemplo, servir como local, fuente bien controlable para explorar los fenómenos subyacentes y desarrollar nuevos conceptos con componentes basados ​​en ondas espín, "Dice Dieterle." Las ondas de giro que observamos podrían ser de relevancia futura para circuitos altamente integrados ".