Con el rápido avance de la miniaturización, el procesamiento de datos mediante corrientes eléctricas se enfrenta a desafíos difíciles, algunos de los cuales son insuperables. Las ondas magnéticas de espín son una alternativa prometedora para la transferencia de información en chips aún más compactos. Científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), como parte de una empresa de investigación internacional, ahora han logrado generar ondas de espín con longitudes de onda extremadamente cortas en el rango nanométrico, una característica clave para su aplicación futura.

Menor, más rápido, más eficientes energéticamente:este es el mantra para el desarrollo ulterior de las computadoras y los teléfonos móviles, que actualmente avanza a un ritmo vertiginoso. Sin embargo, El Dr. Sebastian Wintz, del Instituto HZDR de Investigación de Materiales y Física de Rayos de Iones, sabe demasiado bien, cuán difícil ya es lograr un mayor grado de miniaturización. "Un problema importante con las tecnologías actuales, " él dijo, "Es el calor que se genera cuando los datos se transmiten con la ayuda de corrientes eléctricas. Necesitamos un nuevo concepto". El físico está trabajando con colegas internacionales en las llamadas ondas de espín (magnones) que se establecen para reemplazar las cargas en movimiento en el futuro como portadores de información. Los científicos han logrado por primera vez generar ondas de espín de longitudes de onda tan cortas que tienen potencial para futuras aplicaciones en el procesamiento de datos.

Las ondas giratorias reemplazan la corriente eléctrica

El giro denota una propiedad que otorga a las partículas un momento magnético. Luego actúan como pequeños imanes que corren paralelos entre sí en materiales ferromagnéticos. Si uno de los giros cambia de dirección, esto tiene un efecto dominó sobre sus vecinos. Una reacción en cadena da lugar a una onda de giro.

El procesamiento de la información se basa actualmente en corrientes eléctricas. Las partículas cargadas se aceleran a través de una red de cables que se aprietan más y más juntos, impulsado por el deseo de chips cada vez más compactos. En su camino, los electrones chocan con los átomos, haciendo que se balanceen de un lado a otro en la red cristalina, generando así calor. Si los cables están demasiado juntos, este calor ya no se puede disipar y el sistema se estropea. "La gran ventaja de las ondas de espín es que los electrones mismos no se mueven, "explicó Wintz, "por lo tanto, el flujo de datos produce muy poco calor".

Vórtice magnético como nano-antena

El enfoque tradicional adoptado para generar ondas de giro es utilizar pequeñas antenas de metal que generan magnones cuando son impulsadas por una corriente alterna de alta frecuencia. La longitud de onda más pequeña que se puede generar de esta manera será aproximadamente del tamaño de la antena que se utilice. Aquí es precisamente donde radica el mayor problema, ya que se requieren pequeñas longitudes de onda en la escala nanométrica para satisfacer la demanda de una miniaturización cada vez mayor. Actualmente no es posible, sin embargo, para hacer antenas de alta frecuencia tan pequeñas.

El equipo de investigación de Alemania, Suiza y los EE. UU. Ahora han logrado generar ondas de giro de longitud de onda extremadamente corta de una manera completamente nueva. Como una antena formada naturalmente, utilizan el centro de un vórtice magnético que se produce en un pequeño, Disco ferromagnético ultrafino. Debido al tamaño limitado del disco, los giros no se alinean todos en paralelo como de costumbre, sino que se encuentran a lo largo de círculos concéntricos en el plano del disco. Esta, Sucesivamente, fuerza los giros desde un área pequeña en el centro del disco, que mide solo unos pocos nanómetros de diámetro, para enderezar y, por lo tanto, para apuntar lejos de la superficie del disco. Si esta región central está sujeta a un campo magnético alterno, se produce una onda de giro.

Se necesitan algunos trucos más, sin embargo, para acortar la longitud de onda según sea necesario. Como consecuencia, un segundo disco diminuto se coloca sobre el primero, separados por una delgada, capa no magnética. Cuando esta capa de separación se fabrica con un espesor específico, luego, los dos discos interactúan de tal manera que provocan un acoplamiento antiferromagnético entre los discos (los espines intentan apuntar en direcciones opuestas) lo que reduce la longitud de onda de las ondas de espín emitidas muchas veces. "Solo así llegamos a un resultado relevante para las tecnologías de la información, "añadió Wintz.

Propiedades atractivas para aplicaciones

Los científicos no solo demostraron las longitudes de onda cortas de las ondas de espín generadas de esta manera, sino que también pudieron revelar otras propiedades de las ondas que podrían ser muy útiles para futuras aplicaciones. Con la ayuda de películas de alta velocidad tomadas con un microscopio de rayos X perteneciente al Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart (que está instalado en el Helmholtz-Zentrum Berlin), demostraron que la longitud de onda se puede ajustar con precisión mediante la selección de la frecuencia de excitación. También se llevaron a cabo mediciones similares en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. The results are consistent with a theoretical model which was developed specifically for this study at Oakland University in the USA. Qué es más, a remarkable phenomenon was predicted, which so far has not been seen directly in the experiments:The speed at which the spin waves travel was calculated to be heavily dependent on their propagation direction (forwards or backwards) - another point which could enable a large number of applications in signal processing.