El prometedor campo de la espintrónica busca manipular el espín de los electrones para crear una nueva generación de dispositivos electrónicos pequeños y de baja potencia. Un estudio reciente utilizó la fuente de fotones avanzada de Argonne para acercar el uso generalizado de la espintrónica a la realidad.

A medida que las computadoras y los dispositivos electrónicos se hacen cada vez más pequeños, Los ingenieros están desarrollando nuevas tecnologías para permitir que los dispositivos se reduzcan aún más mientras mejoran el rendimiento. Una nueva tecnología prometedora es la espintrónica, que tiene el potencial de fabricar dispositivos más pequeños y rápidos que retienen su información cuando no hay energía. Esta tecnología emergente podría revolucionar el diseño de dispositivos electrónicos, pero aún queda un largo camino por recorrer antes de que la tecnología se convierta en la corriente principal.

Para mantenerse al día con la creciente generación de datos, La capacidad de almacenamiento de datos ha aumentado mientras que los dispositivos electrónicos continúan haciéndose más pequeños y más potentes. Sin embargo, este aumento en la generación y el almacenamiento de datos ha dado lugar a un aumento asociado en el consumo de energía. Los centros de datos utilizan una cantidad significativa de electricidad para sus servidores y sistemas de refrigeración. y esos centros por sí solos representan más del 1% del uso global de energía. Spintronics tiene el potencial de reducir este consumo de energía al tiempo que permite a los ingenieros seguir diseñando computadoras y otros dispositivos electrónicos más pequeños y rápidos.

En lugar de usar la carga de electrones para almacenar información como 1 y 0, la espintrónica utiliza el espín del electrón para codificar datos. Spin es una propiedad de los electrones, al igual que la carga. Los electrones pueden tener un estado de giro ascendente o descendente, y en algunos materiales especiales, este estado de giro puede moverse a través del material cuando está expuesto a la electricidad. La capacidad de transporte del estado de giro es lo que permite que el giro se utilice para el almacenamiento de datos. Este método de manipulación de espín para el almacenamiento de datos utiliza mucha menos energía porque una corriente de espín encuentra menos resistencia que puede provocar un sobrecalentamiento. y la información no desaparece con una pérdida de poder.

Investigadores que utilizan la fuente de fotones avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, han estado estudiando formas de manipular los espines de los electrones y desarrollando nuevos materiales para la espintrónica. Recientemente, un equipo de investigación dirigido por Chang-Beom Eom, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison, publicó un estudio en la revista Comunicaciones de la naturaleza sobre un nuevo material que tiene tres veces la densidad de almacenamiento y usa mucha menos energía que otros dispositivos espintrónicos.

No existen muchos de estos tipos de materiales, especialmente los que funcionan a temperatura ambiente como éste. Si el material de Eom se puede perfeccionar, podría ayudar en la creación de dispositivos electrónicos más eficientes con menos tendencia a sobrecalentarse. Esto es particularmente importante para avanzar en el desarrollo de la computación de bajo consumo y la memoria magnética rápida.

La nueva estructura que diseñó Eom se basa en una clase inusual de materiales llamados antiperovskites que utiliza para manipular el flujo de información de espín sin mover las cargas de los electrones a través del material. Para averiguar si funcionó, y comprender mejor la estructura del material, El equipo de Eom usó difracción de rayos X en el APS para ver en qué punto cambiaba la estructura del material, indicando la aparición de la disposición necesaria de giros electrónicos.

Eom llegó al APS por el poder de la línea de luz 6-ID-B, así como por la experiencia de los científicos que trabajan allí.

"En una semana en el APS podemos hacer el trabajo de un mes, " él dijo.

Los científicos de la línea de luz de APS brindan asesoramiento experto a los investigadores que buscan utilizar los recursos de la instalación. Antes del estudio, Los científicos de la línea de luz de APS, Phil Ryan y Jong-Woo Kim, pasaron tiempo con Eom, ayudándolo a determinar cuándo tenía la estructura correcta mientras cultivaba estos nuevos materiales en su laboratorio.

"Si tienen una pregunta científica, lo discutimos y juntos diseñamos un experimento en APS para responder la pregunta, "dijo Kim, un físico de APS que colabora con el equipo de investigación de Eom. "Entendemos muy bien nuestras técnicas y capacidades, para que podamos contribuir al diseño del experimento, o incluso dar forma a la conversación ".

Para este estudio, Eom usó el APS para observar la estructura reticular del material a nivel atómico mientras se enfriaba a temperatura ambiente. Usando difracción de rayos X, midieron el parámetro de la red, básicamente la distancia entre los átomos, y extrajeron la separación de los átomos a medida que cambiaba la temperatura del material.

"Este material desarrolla un orden magnético un poco por encima de la temperatura ambiente, "dijo Ryan, otro físico de APS que trabajó con Eom en este proyecto, así como con muchos otros a lo largo de los años. "Una vez que los giros del electrón se ordenan, los átomos se alejan ligeramente entre sí. Entonces, aunque no pudimos detectar directamente la estructura con rayos X, monitoreamos y medimos este cambio estructural con la temperatura en el APS para confirmar la aparición de este orden magnético ".

Esta fue una de las tres técnicas utilizadas en el estudio para medir la disposición de los giros electrónicos, y estos datos, junto con otras medidas, ayudó a solidificar y cimentar la validez de los hallazgos.

"La capacidad de manipular la disposición de los giros electrónicos, así como su movimiento a través del material, tiene tremendas posibilidades para dispositivos más eficientes energéticamente, "Este es el primer paso para demostrar cómo se hace", dijo Eom.