¿Procesadores aún más rápidos con dimensiones aún más pequeñas? Donde ni la electrónica ni la espintrónica pueden hacer frente al rendimiento o la miniaturización, Magnonics viene al rescate. Pero antes de que eso suceda, los científicos deben aprender a simular con precisión el flujo de ondas magnéticas a través de cristales magnónicos. En el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia se acaba de dar un paso importante en esta dirección.

Se puede discutir si el número de agujeros en el queso está relacionado con su calidad o no. Los físicos que se ocupan de materiales magnónicos no tienen tales dilemas:cuantos más agujeros hay en el material, cuanto más interesantes se vuelven sus propiedades magnéticas, pero también radicalmente más difícil de describir y modelar. En un artículo publicado en Informes científicos un grupo de físicos experimentales y teóricos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia presenta un nuevo, modelo verificado experimentalmente, que por primera vez, permite simular cambios locales en las propiedades magnéticas de los cristales magnónicos, con gran precisión. Bajo este nombre exótico se esconden delgadas, estructuras metálicas de varias capas que contienen una rejilla regular de menor o mayor, agujeros redondos más o menos contiguos. Los análisis basados ​​en Cracovia también sugieren que los fenómenos magnéticos que ocurren en los cristales magnónicos son más complejos de lo que se predijo anteriormente.

"Las estructuras metálicas multicapa con una cuadrícula regular de orificios redondos se han estudiado recientemente, y no sin problemas. El punto es que esta red de orificios cambia drásticamente las propiedades magnéticas del sistema, especialmente la forma en que se propagan las ondas magnéticas en él. Los fenómenos se vuelven tan complicados que hasta la fecha nadie ha podido describirlos o simularlos bien, "dice el Dr. Michal Krupinski (IFJ PAN).

La electrónica es el procesamiento de información por medio de cargas eléctricas de electrones que fluyen a través del sistema. Espintrónica, destinado a ser el sucesor de la electrónica, también utiliza corrientes de electrones, pero no presta atención a su carga eléctrica, sino girar (en otras palabras:a las propiedades magnéticas). En el contexto de estos dos campos, magnonics se distingue fundamentalmente. No hay flujos organizados de medios en dispositivos magnónicos. Lo que fluye a través del sistema son ondas magnéticas.

Las diferencias entre estas áreas se entienden más fácilmente mediante una analogía con el mundo del deporte. Cuando un estadio se llena o se vacía, corrientes de gente fluyen dentro de él. Si la electrónica funcionara aquí, Prestaría atención al número de personas que entran y salen del estadio. La espintrónica también observaría el movimiento de personas, pero estaría interesado en los movimientos de personas con cabello claro u oscuro. En esta analogía, la magnónica se ocuparía del flujo ... de las olas mexicanas. Olas como esta pueden rodear todo el estadio a pesar de que ningún aficionado se aleja de su asiento.

Los físicos de Cracovia produjeron sus cristales magnónicos utilizando el método inventado por el profesor Michael Giersig de la Freie Universität Berlin y desarrollado en IFJ PAN por el Dr. Krupinski. El primer paso es aplicar nanopartículas de poliestireno sobre un sustrato no magnético (por ejemplo, silicio). Las esferas se autoorganizan y pueden hacerlo de diferentes formas dependiendo de las condiciones. El sustrato cubierto con esferas organizadas se somete luego a la acción del plasma en una cámara de vacío, lo que permite reducir el diámetro de las esferas de forma controlada. A continuación, se aplican capas delgadas de metales adecuados a la muestra así preparada. Uno después del otro. Una vez aplicadas todas las capas, el material se lava con disolventes orgánicos para eliminar las esferas. El resultado final es una estructura periódica que se asemeja a un tamiz más o menos denso, unido permanentemente a un sustrato de silicio (potencialmente no necesita ser rígido, el equipo del PAN de la FIP también puede formar estructuras similares, p. sobre sustratos poliméricos flexibles).

"Los sistemas que estudiamos consistían en 20 capas alternas de cobalto y paladio. Se trata de estructuras muy delgadas. Su espesor es de solo 12 nanómetros, que corresponde a unos 120 átomos, "dice el Dr. Krupinski.

Dependiendo del tamaño de los agujeros, Se forman áreas más grandes o más pequeñas con formas similares a un triángulo entre sus puntos de contacto. Los átomos dentro de estas áreas pueden magnetizarse de la misma manera formando las llamadas burbujas magnéticas. Estas burbujas se pueden utilizar para almacenar información, y los cambios en su magnetización permiten la propagación de ondas magnéticas en el sistema.

El modelo teórico, construido en IFJ PAN bajo la dirección del Dr. Pawel Sobieszczyk, describe fenómenos magnéticos que ocurren en cristales con dimensiones de dos por dos micrómetros. En la escala del micromundo, estas dimensiones son enormes:el número de átomos es tan grande que ya no es posible simular el comportamiento de átomos individuales. Sin embargo, debido a la interacción magnética mutua, los momentos magnéticos de los átomos adyacentes suelen estar orientados casi en la misma dirección. Esta observación permitió que los átomos se agruparan en pequeños volúmenes (vóxeles), que podrían tratarse como objetos individuales. Este procedimiento redujo radicalmente la complejidad computacional del modelo y permitió realizar simulaciones numéricas, que se realizaron en el Centro Académico de Computación Cyfronet AGH de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Cracovia.

"La clave del éxito fue la idea de incorporar al modelo las imperfecciones que se encuentran en los cristales magnónicos reales, "dice el Dr. Sobieszczyk y enumera:" En primer lugar, las estructuras reales nunca son cristales perfectos. Suelen ser grupos de muchos cristales llamados cristalitos. Dependiendo del tamaño y la forma, los cristalitos pueden tener diferentes propiedades magnéticas. Es más, Pueden aparecer contaminantes químicos en el sistema. Hacen que ciertas áreas del material pierdan sus propiedades magnéticas. Finalmente, las capas metálicas individuales pueden ser más gruesas o más delgadas en algunos lugares. Nuestro modelo funciona con tanta precisión porque tiene en cuenta todos estos efectos ".

El modelo presentado aquí predice la existencia de un interesante, fenómeno hasta ahora no observado. Cuando dos burbujas adyacentes se magnetizan a la inversa, los momentos magnéticos de los átomos entre ellos pueden cambiar su orientación girando en paralelo al plano de la capa o perpendicularmente. Luego se crea una especie de pared entre las burbujas, en el primer caso llamado muro de Bloch, en el segundo, una pared de Néel. Hasta ahora, se suponía que sólo se podían encontrar paredes de un tipo en un cristal magnónico dado. El modelo desarrollado por físicos de IFJ PAN sugiere que ambos tipos de paredes magnéticas pueden ocurrir en el mismo cristal.

Magnonics recién está comenzando. El camino hacia procesadores complejos:más pequeños, más rápido, y con una estructura lógica que podría reprogramarse según las necesidades, todavía queda un largo camino por recorrer. Las memorias magnónicas y los sensores innovadores capaces de detectar pequeñas cantidades de sustancias parecen más realistas. Comprender los mecanismos responsables de las propiedades magnéticas de los cristales magnónicos y las formas en que fluyen las ondas magnéticas nos acerca a este tipo de dispositivos. Este es un paso importante, después de lo cual seguramente vendrán los próximos.