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En el Departamento de Materiales de la ETH en Zúrich, Pietro Gambardella y sus colaboradores investigan posibles dispositivos de memoria. Deben ser rápidos retenga los datos de forma fiable durante mucho tiempo y además sea económico. La llamada RAM magnética (MRAM) logra esta cuadratura del círculo combinando conmutación rápida a través de corrientes eléctricas con almacenamiento de datos duradero en materiales magnéticos.

Hace unos pocos años, los investigadores demostraron que un cierto efecto físico, el par de giro en órbita, hace posible un almacenamiento de datos particularmente rápido. Ahora, El grupo de Gambardella y el IMEC en Bélgica han resuelto temporalmente la dinámica exacta de un solo evento de almacenamiento de este tipo, y han utilizado algunos trucos para hacerlo aún más rápido.

Magnetización con giros individuales

Almacenar datos magnéticamente requiere invertir la dirección de magnetización de un ferromagnético (es decir, material permanentemente magnético) para representar la información como un valor lógico, cero o uno. En tecnologías más antiguas, como cintas magnéticas o discos duros, esto se logró a través de campos magnéticos producidos dentro de bobinas portadoras de corriente. Tecnología MRAM moderna, por el contrario, utiliza directamente los espines de los electrones, que fluyen directamente a través de una capa magnética como corriente eléctrica. En los experimentos de Gambardella, los electrones con direcciones de giro opuestas están separados espacialmente por la interacción giro-órbita. Esta, Sucesivamente, crea un campo magnético efectivo, que se puede utilizar para invertir la dirección de magnetización de un pequeño punto de metal.

"Sabemos por experimentos anteriores en los que escaneamos estroboscópicamente un único punto metálico magnético con rayos X que la inversión de magnetización ocurre muy rápidamente, en aproximadamente un nanosegundo, "dice Eva Grimaldi, un postdoctorado en el grupo de Gambardella. "Sin embargo, esos fueron valores medios promediados sobre muchos eventos de reversión. Ahora, queríamos saber exactamente cómo ocurre un evento de este tipo y demostrar que puede funcionar en un dispositivo de memoria magnética compatible con la industria ".

Resolución de tiempo a través de un cruce de túnel

Para hacerlo los investigadores reemplazaron el punto de metal aislado por una unión de túnel magnético. Tal unión de túnel contiene dos capas magnéticas separadas por una capa de aislamiento que tiene solo un nanómetro de espesor. Dependiendo de la dirección de giro, a lo largo de la magnetización de las capas magnéticas, o al contrario, los electrones pueden atravesar esa capa aislante con más o menos facilidad. Esto da como resultado una resistencia eléctrica que depende de la alineación de la magnetización en una capa con respecto a la otra y, por lo tanto, representa cero y uno. Desde la dependencia temporal de esa resistencia durante un evento de reversión, los investigadores pudieron reconstruir la dinámica exacta del proceso. En particular, encontraron que la inversión de la magnetización ocurre en dos etapas:una etapa de incubación, durante el cual la magnetización permanece constante, y la etapa de inversión real, que dura menos de un nanosegundo.

Pequeñas fluctuaciones

"Para un dispositivo de memoria rápido y confiable, es esencial que se minimicen las fluctuaciones de tiempo entre los eventos de reversión individuales, "explica la estudiante de doctorado de Gambardella, Viola Krizakova. Así que, según sus datos, los científicos desarrollaron una estrategia para reducir al máximo esas fluctuaciones. Con ese fin, cambiaron los pulsos de corriente utilizados para controlar la inversión de magnetización de tal manera que introdujeran dos fenómenos físicos adicionales. El llamado par de transferencia de giro, así como un pulso de voltaje corto durante la etapa de inversión, resultó en una reducción del tiempo total para el evento de reversión a menos de 0,3 nanosegundos, con fluctuaciones temporales de menos de 0,2 nanosegundos.

Tecnología lista para aplicaciones

"Poniendo todo esto junto, Hemos encontrado un método mediante el cual los datos se pueden almacenar en uniones de túneles magnéticos prácticamente sin ningún error y en menos de un nanosegundo. "dice Gambardella. Además, la colaboración con el centro de investigación IMEC hizo posible probar la nueva tecnología directamente en una oblea compatible con la industria. Kevin Garello, un ex postdoctorado del laboratorio de Gambardella, produjo los chips que contienen los contactos del túnel para los experimentos en ETH y optimizó los materiales para ellos. En principio, la tecnología lo haría, por lo tanto, esté inmediatamente listo para su uso en una nueva generación de MRAM.

Gambardella enfatiza que la memoria MRAM es particularmente interesante porque, a diferencia de la SRAM o DRAM convencional, no pierde información cuando la computadora está apagada; al mismo tiempo, es tan rápido como esas tecnologías. Sin embargo, reconoce que el mercado de la memoria MRAM no demanda actualmente velocidades de escritura tan altas, ya que otros cuellos de botella técnicos, como las pérdidas de potencia causadas por grandes corrientes de conmutación, limitan los tiempos de acceso. Mientras tanto, él y sus compañeros de trabajo ya están planificando nuevas mejoras; quieren reducir las uniones del túnel y utilizar diferentes materiales que utilicen la corriente de manera más eficiente.