En años recientes, El procesamiento de datos electrónicos ha evolucionado en una sola dirección:la industria ha reducido el tamaño de sus componentes al rango nanométrico. Pero este proceso ahora está llegando a sus límites físicos. Por lo tanto, los investigadores de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) están explorando ondas de espín, o los llamados magnones, una alternativa prometedora para transportar información en microchips más compactos. Cooperando con socios internacionales, han generado y controlado con éxito ondas de espín de longitud de onda extremadamente corta. Los físicos lograron esta hazaña aprovechando un fenómeno magnético natural, como explican en el diario Nanotecnología de la naturaleza .

Por mucho tiempo, Ha habido una regla empírica confiable en el mundo de la tecnología de la información:el número de transistores en un microprocesador se duplica aproximadamente cada dos años. El aumento de rendimiento resultante nos trajo las oportunidades digitales que ahora damos por sentadas, desde Internet de alta velocidad hasta el teléfono inteligente. Pero a medida que los conductores del chip se vuelven cada vez más diminutos, estamos empezando a enfrentar problemas, como explica el Dr. Sebastian Wintz del Instituto de Investigación de Materiales y Física de Rayos Iónicos de HZDR:"Los electrones que fluyen a través de nuestros microprocesadores modernos calientan el chip debido a la resistencia eléctrica. Más allá de cierto punto, las virutas simplemente fallan porque el calor ya no puede escapar. ”Esto también evita un mayor aumento en la velocidad de los componentes.

Por eso el físico, quien también trabaja actualmente en el Paul Scherrer Institute (PSI) en Suiza, prevé un futuro diferente para los soportes de información. En lugar de corrientes eléctricas, Wintz y sus colegas están aprovechando una propiedad específica de los electrones llamada espín. Las diminutas partículas se comportan como si estuvieran girando constantemente alrededor de su propio eje, creando así un momento magnético. En ciertos materiales magnéticos, como el hierro o el níquel, los giros suelen ser paralelos entre sí. Si la orientación de estos giros se cambia en un lugar, que la disrupción viaja a las partículas vecinas, desencadenando una onda de giro que se puede utilizar para codificar y distribuir información. "En este escenario, los electrones permanecen donde están, "dice Wintz, describiendo su ventaja. "Apenas generan calor, lo que significa que los componentes basados ​​en espín pueden requerir mucha menos energía ".

¿Cómo podemos controlar la ola?

Hasta aquí, sin embargo, ha habido dos desafíos fundamentales que complican el uso de ondas de giro:las longitudes de onda que se pueden generar no son lo suficientemente cortas para las estructuras de tamaño nanométrico en los chips, y no hay forma de controlar las olas. Sebastian Wintz y sus compañeros de trabajo ahora han podido encontrar soluciones a ambos problemas. "A diferencia de las antenas fabricadas artificialmente que se emplean comúnmente para excitar las ondas, ahora usamos uno que se forma naturalmente dentro del material, "explica el primer autor, el Dr. Volker Sluka." Con este fin, fabricamos microelementos que comprenden dos discos ferromagnéticos que se acoplan antiferromagnéticamente mediante un espaciador de rutenio. Es más, Elegimos el material de los discos para que los giros prefieran alinearse a lo largo de un eje particular en el espacio, lo que da como resultado el patrón magnético deseado ".

Dentro de las dos capas, esto crea áreas de diferente magnetización separadas por lo que se llama un muro de dominio. Luego, los científicos expusieron las capas a campos magnéticos que se alternaban con una frecuencia de un gigahercio o más. Utilizando un microscopio de rayos X del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes de Stuttgart, que se opera en el Helmholtz-Zentrum Berlin, pudieron observar que las ondas de giro con frentes de onda paralelos viajan a lo largo de la dirección perpendicular a la pared del dominio. "En experimentos anteriores, las ondas de la ola se parecían a las que se obtienen cuando un guijarro golpea la superficie del agua, "Sluka informa." Esto no es óptimo, porque la oscilación decae rápidamente a medida que la onda se propaga en todas direcciones. Para permanecer en la misma analogía, las olas ahora parecen como si hubieran sido producidas por una varilla larga que se mueve hacia adelante y hacia atrás en el agua ".

Como han mostrado las imágenes de rayos X, estas ondas de espín pueden viajar varios micrómetros a longitudes de onda de solo unos 100 nanómetros, sin ninguna pérdida significativa de señal, un requisito previo necesario para usarlos en la tecnología de la información moderna. Es más, los físicos han descubierto una posible forma de controlar este nuevo portador de información cuando establecen la frecuencia de estimulación por debajo de medio gigahercio. Por tanto, las ondas giratorias quedaron atrapadas en la pared del dominio:"En este escenario, las olas incluso pudieron correr en una curva, "dice Volker Sluka, y agregó:"Sin embargo, todavía pudimos detectar las señales". Con sus resultados, los investigadores han sentado bases importantes para el desarrollo posterior de circuitos basados ​​en ondas de espín.

A la larga, esto podría facilitar un diseño completamente novedoso de microprocesadores, Sebastian Wintz predice:"Utilizando campos magnéticos, podemos mover muros de dominio con relativa facilidad. Eso significa que los chips que funcionan con ondas de giro no necesitan necesariamente una arquitectura predefinida, pero luego se pueden cambiar y adaptar para cumplir nuevas tareas ".