En un trabajo que podría ayudar a hacer posible una método de almacenamiento de datos más duradero y de menor consumo de energía para consumidores y empresas, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas han desarrollado una técnica para obtener imágenes y estudiar una clase prometedora de dispositivos magnéticos con 10 veces más detalles que los microscopios ópticos.

Los materiales magnéticos han atraído a un número creciente de investigadores en la búsqueda de almacenar y leer bits de información digital más rápidamente. En un sistema magnético, los datos están codificados por la dirección de la magnetización:una barra magnética con su polo norte apuntando hacia arriba puede representar el código binario "0, "mientras que el mismo imán con su polo norte apuntando hacia abajo puede representar un" 1 ". A diferencia del chip de computadora semiconductor estándar, Los dispositivos de memoria magnética pueden retener información incluso si la alimentación está apagada.

Al controlar cuándo y qué tan rápido se puede voltear la magnetización sin gastar una cantidad significativa de energía eléctrica, Los científicos esperan mejorar una tecnología existente llamada Memoria magnética de acceso aleatorio, o MRAM, en una herramienta líder para la lectura, escribir y almacenar información. MRAM aún no es competitivo con otros métodos existentes de almacenamiento de datos, como la memoria RAM flash, pero ofrece ventajas sobre las tecnologías actuales como la reducción del consumo de energía.

Para hacer realidad la promesa de MRAM, Los investigadores están investigando la estructura magnética a escala nanométrica de películas delgadas de metal que tienen el potencial de servir como dispositivos de memoria en MRAM. En NIST, Ian Gilbert y sus colegas han utilizado una técnica de imagen de electrones de alta resolución, desarrollado por el físico John Unguris, examinar la nanoestructura de las películas magnéticas antes y después de que se invierta su magnetización.

La técnica, microscopía electrónica de barrido con análisis de polarización (SEMPA), utiliza un haz de electrones dispersos de una película delgada para revelar la topografía a nanoescala, repleto de colinas y valles en miniatura, de la superficie de la película. Los electrones expulsados ​​de la superficie por el haz de electrones entrante también se detectan y separan de acuerdo con la dirección de su espín, una propiedad cuántica que otorga a las partículas cargadas un momento angular intrínseco y un minúsculo campo magnético. La dirección de los giros de los electrones expulsados ​​revela variaciones en la estructura magnética de la muestra (cambios en la dirección de magnetización) en una escala aproximadamente 10 veces más pequeña que la observada con un microscopio óptico.

La capacidad de SEMPA para discernir estructuras magnéticas diminutas es fundamental a medida que los ingenieros fabrican dispositivos de memoria magnética cada vez más pequeños, señaló Gilbert. Con SEMPA, "podemos ver estas texturas realmente finas en la magnetización, " él dijo.

Gilbert y sus colaboradores, que incluyen científicos del NIST y la Universidad de Maryland, también usó el espín de electrones para invertir la magnetización en su muestra de película delgada, una aleación de cobalto, hierro y boro. Al pasar una pequeña corriente eléctrica a través de una tira subyacente de una película metálica no magnética como el platino, el equipo creó una corriente de electrones cuyos espines apuntan todos en la misma dirección. Cuando esta corriente de electrones, conocida como corriente de espín, pasó a través de la fina película magnética, su giro ejercía una pequeña fuerza de torsión, o torque, en las regiones magnéticas de la película. El par fue lo suficientemente grande como para girar y voltear la magnetización.

Las imágenes SEMPA tomadas antes de que se aplicara una corriente revelaron que la dirección de la magnetización variaba, en la nanoescala, a través de la muestra de película delgada. Cada pequeña región de la muestra tiene su propio eje preferido a lo largo del cual apunta la magnetización, dijo Gilbert. El equipo informó recientemente sus hallazgos en la revista. Revisión física B .

Tales variaciones a nanoescala de la magnetización podrían ser cruciales para documentar, dijo Gilbert, para ingenieros que intentan optimizar el rendimiento de un dispositivo de memoria magnética. La variación en la dirección de magnetización también podría afectar la capacidad del espín del electrón para invertir la magnetización.

"En lugar de cambiar la magnetización hacia arriba o hacia abajo, la corriente de giro invierte la magnetización a lo largo de cualquier eje local [de giro] preferido, "señala Gilbert. La variación en la dirección de magnetización sugiere que los materiales utilizados para los dispositivos de memoria magnética pueden necesitar ser calentados suavemente, un proceso que alinea los dominios magnéticos a nanoescala.

En obra separada, Los científicos del NIST Mark Stiles y Vivek Amin, que tiene una cita conjunta con la Universidad de Maryland, centrarse en el teórico que describe el par medido en los experimentos SEMPA. Allí, una corriente de electrones polarizados generada en una tira de metal no magnético interactúa con la magnetización de un material superpuesto. En particular, el equipo ha desarrollado un modelo que puede ayudar a determinar qué grupo de electrones polarizados desempeñan el papel más importante en la inversión de la dirección de magnetización en el material adyacente, los que se originan en la superficie del material no magnético o los del interior.

La respuesta podría orientar la fabricación de dispositivos de memoria magnética más eficientes. Por ejemplo, determinar qué grupo de electrones son los actores dominantes podría sugerir formas de minimizar la corriente necesaria para invertir la magnetización, Dijo Stiles.

"Ahora, estamos en el proceso de dar a conocer el modelo a los experimentadores, tratando de que lo utilicen para comprender mejor sus datos, " El lo notó.