Cuando guarda una imagen en su teléfono inteligente, esos datos se escriben en pequeños transistores que se encienden o apagan eléctricamente en un patrón de "bits" para representar y codificar esa imagen. La mayoría de los transistores actuales están hechos de silicio, un elemento que los científicos han logrado cambiar a escalas cada vez más pequeñas, habilitando miles de millones de bits, y, por tanto, grandes bibliotecas de imágenes y otros archivos, para ser empaquetado en un solo chip de memoria.

Pero la creciente demanda de datos y los medios para almacenarlos, está impulsando a los científicos a buscar más allá del silicio materiales que puedan llevar los dispositivos de memoria a densidades más altas, velocidades, y seguridad.

Ahora, los físicos del MIT han mostrado evidencia preliminar de que los datos podrían almacenarse más rápido, más denso y brocas más seguras hechas de antiferromagnetos.

Antiferromagnético, o materiales AFM son los primos menos conocidos de los ferromagnetos, o materiales magnéticos convencionales. Donde los electrones de los ferroimanes giran en sincronía, una propiedad que permite que la aguja de una brújula apunte al norte, siguiendo colectivamente el campo magnético de la Tierra:los electrones en un antiferromagnet prefieren el giro opuesto a su vecino, en un "antialineamiento" que apaga eficazmente la magnetización incluso en las escalas más pequeñas.

La ausencia de magnetización neta en un antiferromagnet lo hace impermeable a cualquier campo magnético externo. Si se convirtieran en dispositivos de memoria, Los bits antiferromagnéticos podrían proteger cualquier dato codificado para que no se borre magnéticamente. También podrían convertirse en transistores más pequeños y empaquetarse en mayor número por chip que el silicio tradicional.

Ahora, el equipo del MIT ha descubierto que al dopar electrones adicionales en un material antiferromagnético, pueden activar y desactivar su disposición antialineada colectiva, de forma controlable. Descubrieron que esta transición magnética es reversible, y suficientemente afilado, similar a cambiar el estado de un transistor de 0 a 1. Los resultados, publicado hoy en Cartas de revisión física , Demostrar una nueva vía potencial para utilizar antiferromagnetos como conmutador digital.

"Una memoria AFM podría permitir ampliar la capacidad de almacenamiento de datos de los dispositivos actuales:mismo volumen, pero más datos, "dice el autor principal del estudio, Riccardo Comin, profesor asistente de física en el MIT.

Los coautores del MIT de Comin incluyen al autor principal y estudiante de posgrado Jiarui Li, junto con Zhihai Zhu, Grace Zhang, y Da Zhou; así como Roberg Green de la Universidad de Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sun, y Shriram Ramanathan de la Universidad de Purdue; Ronny Sutarto y Feizhou He de Canadian Light Source; y Jerzy Sadowski del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Memoria magnetica

Para mejorar el almacenamiento de datos, algunos investigadores buscan MRAM, o RAM magnetorresistiva, un tipo de sistema de memoria que almacena datos como bits hechos de materiales magnéticos convencionales. En principio, un dispositivo MRAM estaría modelado con miles de millones de bits magnéticos. Para codificar datos, la dirección de un dominio magnético local dentro del dispositivo se invierte, similar a cambiar un transistor de 0 a 1.

Los sistemas MRAM podrían leer y escribir datos más rápido que los dispositivos basados ​​en silicio y podrían funcionar con menos energía. Pero también podrían ser vulnerables a campos magnéticos externos.

"El sistema en su conjunto sigue un campo magnético como un girasol sigue al sol, por eso si toma un dispositivo de almacenamiento de datos magnético y lo coloca en un campo magnético moderado, la información se borra por completo, "Dice Comin.

Antiferromagnetos, a diferencia de, no se ven afectados por campos externos y, por lo tanto, podrían ser una alternativa más segura a los diseños MRAM. Un paso esencial hacia los bits AFM codificables es la capacidad de activar y desactivar el antiferromagnetismo. Los investigadores han encontrado varias formas de lograr esto, principalmente mediante el uso de corriente eléctrica para cambiar un material de su alineación ordenada, a un desorden aleatorio de giros.

"Con estos enfoques, el cambio es muy rápido, "dice Li". Pero la desventaja es que cada vez que necesite una corriente para leer o escribir, que requiere mucha energía por operación. Cuando las cosas se ponen muy pequeñas la energía y el calor generados por las corrientes en marcha son importantes ".

Trastorno por dopaje

Comin y sus colegas se preguntaron si podrían lograr la conmutación antiferromagnética de una manera más eficiente. En su nuevo estudio, trabajan con niquelato de neodimio, un óxido antiferromagnético cultivado en el laboratorio de Ramanathan. Este material exhibe nanodominios que consisten en átomos de níquel con un espín opuesto al de su vecino, y se mantienen unidos por átomos de oxígeno y neodimio. Los investigadores habían mapeado previamente las propiedades fractales del material.

Desde entonces, los investigadores han buscado ver si pueden manipular el antiferromagnetismo del material a través del dopaje, un proceso que introduce intencionalmente impurezas en un material para alterar sus propiedades electrónicas. En su caso, los investigadores doparon óxido de níquel y neodimio despojando al material de sus átomos de oxígeno.

Cuando se elimina un átomo de oxígeno, deja dos electrones, que se redistribuyen entre los demás átomos de níquel y oxígeno. Los investigadores se preguntaron si eliminar muchos átomos de oxígeno resultaría en un efecto dominó de desorden que apagaría el antialineamiento ordenado del material.

Para probar su teoría, cultivaron películas de 100 nanómetros de espesor de óxido de níquel y neodimio y las colocaron en una cámara sin oxígeno, luego calentó las muestras a temperaturas de 400 grados Celsius para alentar al oxígeno a escapar de las películas y a la atmósfera de la cámara.

A medida que eliminaban progresivamente más oxígeno, estudiaron las películas utilizando técnicas avanzadas de cristalografía de rayos X magnéticos para determinar si la estructura magnética del material estaba intacta, lo que implica que sus espines atómicos permanecieron en su antialineamiento ordenado, y por tanto retuvo el antiferomagnetismo. Si sus datos mostraban una falta de una estructura magnética ordenada, sería una prueba de que el antiferromagnetismo del material se había desactivado, debido a suficiente dopaje.

A través de sus experimentos, los investigadores pudieron desactivar el antiferromagnetismo del material en un cierto umbral crítico de dopaje. También podrían restaurar el antiferromagnetismo agregando oxígeno nuevamente al material.

Ahora que el equipo ha demostrado que el dopaje activa y desactiva AFM de manera efectiva, los científicos podrían usar formas más prácticas de dopar materiales similares. Por ejemplo, los transistores basados ​​en silicio se conmutan mediante compuertas activadas por voltaje, "donde se aplica un pequeño voltaje a un bit para alterar su conductividad eléctrica. Comin dice que los bits antiferromagnéticos también podrían conmutarse usando puertas de voltaje adecuadas, lo que requeriría menos energía que otras técnicas de conmutación antiferromagnética.

"Esto podría presentar una oportunidad para desarrollar un dispositivo de almacenamiento de memoria magnética que funcione de manera similar a los chips basados ​​en silicio, con el beneficio adicional de que puede almacenar información en dominios AFM que son muy robustos y se pueden empaquetar en altas densidades, Comin dice:"Eso es clave para abordar los desafíos de un mundo basado en datos".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.