Es posible que la espintrónica no sea el tipo de palabra que surge en las discusiones diarias, pero lleva años revolucionando la tecnología informática. Es la rama de la física que implica manipular el giro de un flujo de electrones, que llegó por primera vez a los consumidores a fines de la década de 1990 en forma de discos duros magnéticos de computadora con varios cientos de veces la capacidad de almacenamiento de sus predecesores.

Desde entonces, estos y otros dispositivos electrónicos se han perfeccionado para hacer que las computadoras vuelvan a ser mucho más potentes. sin mencionar mucho más fresco y más eficiente en energía, lo que permite todo, desde reproductores de MP3 hasta los teléfonos inteligentes de hoy. Intel y Google comenzaron a presentar procesadores cuánticos el año pasado, y Samsung y Everspin lanzaron chips MRAM (memoria magnética de acceso aleatorio) hace unos meses. Se espera que esta nueva tecnología mejore sustancialmente el rendimiento informático, según una estimación, por ejemplo, la reducción potencial en los requisitos de energía podría ser superior al 99%.

Aún así, Todos estos avances han estado trabajando bajo una gran limitación:la manipulación del giro se limita a una sola capa ultrafina de material magnético. Decenas de estas capas normalmente se apilan en una estructura "intercalada", que interactúan a través de interfaces e interconexiones complejas, pero su funcionalidad es fundamentalmente de naturaleza bidimensional.

Líderes de la industria como Stuart Parkin, que creó el disco duro original de IBM impulsado por espintrónica, el Deskstar 16GP Titan, Llevamos años diciendo que uno de los mayores desafíos en la computación magnética es cambiar a una versión 3D mucho más flexible y capaz.

Esto vería la información transmitida, almacenados y procesados ​​en cualquier punto de la pila tridimensional de capas magnéticas. Los recientes avances pioneros están comenzando a acercar este cambio de paradigma, pero aún enfrentamos grandes desafíos para alcanzar el mismo grado de control que tenemos en dos dimensiones.

En un nuevo artículo dirigido por las universidades de Glasgow y Cambridge, en colaboración con investigadores de la Universidad de Hamburgo, la Universidad Técnica de Eindhoven y la Facultad de Ciencias de la Universidad Aalto, hemos dado un paso importante para lograr ese objetivo.

Giros y cargas

La electrónica tradicional se basa en el hecho de que los electrones tienen cargas eléctricas. En una computadora básica, los chips y otras unidades transmiten información enviando y recibiendo diminutos pulsos eléctricos. Registran un "uno" para un pulso y un "cero" para ningún pulso, y contando estos millones de repeticiones, se convierte en la base de un lenguaje de instrucciones.

Los discos duros magnéticos tradicionales también se basan en propiedades asociadas a las cargas eléctricas. pero funcionan según un principio diferente, con regiones muy pequeñas de un disco magnético plano que registra ceros y unos a través de sus dos posibles orientaciones magnéticas. Las unidades magnéticas tienen la gran ventaja de que los datos siguen estando allí incluso cuando se apaga la alimentación, aunque la información se registra y recupera mucho más lentamente que con los transistores que encontramos en los circuitos de las computadoras.

La espintrónica es diferente:explota tanto la carga como el magnetismo intrínseco de los electrones, también conocido como su espín. La diferencia entre giro y carga a veces se compara con la forma en que la Tierra orbita alrededor del Sol, pero también gira sobre su eje al mismo tiempo. Pero mientras que los electrones siempre tienen carga negativa, pueden girar "hacia arriba" o "hacia abajo".

Se descubrió a fines de la década de 1980 que si se conducía una corriente eléctrica a través de un dispositivo formado por una lámina no magnética intercalada entre dos láminas magnéticas, la resistencia de este dispositivo al flujo de electrones cambiaría drásticamente dependiendo de la orientación de los imanes dentro de las dos láminas magnéticas.

Este efecto se aprovechó fácilmente en los discos duros, con estos sistemas espintrónicos actuando como sensores muy sensibles que podrían leer muchos más ceros y unos de información magnética dentro de la misma área que los discos duros anteriores, transformando así la capacidad de almacenamiento. Conocido como magnetorresistencia gigante, esto más tarde rindió el Premio Nobel de Física para Albert Fert y Peter Grunberg, los dos científicos que lo descubrieron simultáneamente.

Espintrónica quiral

Desde el nacimiento de la espintrónica, ha habido muchos avances importantes, incluyendo algunos interesantes recientes en un área llamada espintrónica quiral. Mientras que normalmente pensamos que dos imanes tienen un "norte" y un "sur" que giran uno hacia el otro o en dirección opuesta a lo largo de una línea de 180º (mira la brújula hacia el final de este video, por ejemplo, bajo condiciones particulares). minúsculos imanes a nivel atómico también presentan interacciones de espín quiral. Esto significa que los imanes vecinos tienen preferencia por orientarse en ángulos de 90º.

La existencia de estas interacciones es un ingrediente clave para crear y manipular pseudopartículas llamadas skyrmions magnéticos, que tienen propiedades topológicas que les permiten realizar aplicaciones informáticas de manera más eficaz, con un gran potencial para mejorar aún más el almacenamiento de datos.

Hasta ahora, sin embargo, Las interacciones de espín quirales solo se habían observado y explotado en espintrónica 2-D. En nuestro nuevo periódico, mostramos por primera vez que esta interacción también se puede crear entre imanes ubicados en dos capas magnéticas vecinas separadas por una capa metálica no magnética ultrafina.

Para esto, Creamos un dispositivo con un total de ocho capas utilizando una técnica llamada pulverización catódica para depositar películas delgadas a nanoescala. Tuvimos que ajustar cuidadosamente las interfaces de las capas para equilibrar otras interacciones magnéticas, y estudiamos el comportamiento del sistema bajo campos magnéticos a temperatura ambiente empleando láseres. El comportamiento del dispositivo fue confirmado por simulaciones magnéticas complementarias realizadas por nuestro colaborador en la Universidad de Hamburgo.

Este descubrimiento abre nuevas rutas emocionantes para explotar más efectos espintrónicos 3-D, con interacciones de espín quirales que juegan un papel fundamental para crear formas más compactas y eficientes de almacenar y mover datos magnéticos a lo largo de todo el espacio 3-D. El trabajo futuro se centrará en encontrar formas de aumentar la fuerza de esta interacción y ampliar la gama de dispositivos donde el efecto está presente. Esperamos que nuestro trabajo atraiga un gran interés dentro de la comunidad espintrónica y estimule a la industria a continuar trabajando en dispositivos de computación magnéticos basados ​​en estos conceptos radicalmente nuevos.

El primer impacto de la espintrónica en el mercado de la computación fue extremadamente rápido:pasaron solo ocho años desde el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante hasta el lanzamiento del Deskstar 16GP Titan de IBM en 1997. El salto a 3-D aún necesita superar múltiples obstáculos, desde la fabricación precisa de los dispositivos necesarios hasta la explotación de interacciones magnéticas en arquitecturas informáticas no convencionales. Nuestro descubrimiento reciente nos acerca un paso más hacia el logro de este objetivo tan desafiante pero emocionante.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.