Imagínese mordiendo un sándwich de mantequilla de maní y descubriendo una rebanada de queso entre el pan y la mantequilla. En cierto sentido, esto es lo que le sucedió a un equipo de físicos de la Universidad de Arizona, excepto que el "queso" era una capa de óxido de hierro, menos de una capa atómica de espesor, y el "sándwich" era un cruce de túnel magnético:un pequeño, estructura en capas de materiales exóticos que algún día pueden reemplazar los transistores de computadora actuales basados ​​en silicio y revolucionar la informática. El óxido de hierro, un material relacionado con lo que comúnmente se conoce como óxido, exhibe propiedades exóticas cuando su espesor se acerca al de los átomos individuales.

Un equipo dirigido por Weigang Wang, profesor del Departamento de Física de Arizona, sugieren en un nuevo estudio que la capa previamente desconocida es responsable de ciertos comportamientos de las uniones de túneles magnéticos que han desconcertado a los físicos durante muchos años. El descubrimiento, publicado en la revista Cartas de revisión física , abre posibilidades inesperadas para desarrollar aún más la tecnología.

A diferencia de los micro-transistores convencionales, las uniones de túnel magnético no utilizan la carga eléctrica de los electrones para almacenar información, pero aproveche una propiedad de la mecánica cuántica que tienen los electrones, que se conoce como "giro". Conocido como espintrónica, La tecnología informática basada en uniones de túneles magnéticos se encuentra todavía en fase experimental. y las aplicaciones son extremadamente limitadas. Por ejemplo, la tecnología se utiliza en aviones y máquinas tragamonedas para proteger los datos almacenados de cortes repentinos de energía.

Esto es posible porque las uniones de túneles magnéticos procesan y almacenan información cambiando la orientación de los imanes de nanoescala en lugar de mover los electrones como lo hacen los transistores normales.

"Cuando cambias la dirección de la magnetización, una unión de túnel magnético se comporta como un transistor en el sentido de que está 'encendido' o 'apagado', "dijo Meng Xu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Wang y primer autor del artículo. "Una de sus ventajas es que, si lo mantiene en ese estado, no consume energía para mantener la información almacenada ".

Aunque las uniones de túneles magnéticos de alto rendimiento existen desde hace unos 20 años, Los científicos se han quedado perplejos por el hecho de que siempre que midieron la diferencia entre el estado "encendido" y "apagado", los valores eran mucho más bajos de lo que predecirían las propiedades físicas de estos interruptores de tamaño nanométrico, limitar el potencial de las uniones de túneles magnéticos como los componentes básicos de la computación espintrónica.

Ese misterio puede explicarse por la fina capa de óxido de hierro que Wang y sus colegas descubrieron en la interfaz entre las dos capas magnéticas en sus muestras de unión de túnel magnético:la "rebanada de queso" en la analogía del sándwich.

"Creemos que esta capa actúa como contaminante, evitar que nuestra muestra logre el rendimiento que queremos ver desde una unión de túnel magnético, "Dijo Wang.

Sin embargo, Wang dice que los hallazgos son una medalla de dos caras, porque mientras que la capa no anticipada está reduciendo las perspectivas de las uniones de túneles magnéticos al reducir el cambio de resistencia en su estado "encendido" y "apagado", es una buena noticia porque abre oportunidades inesperadas en otra área de la espintrónica.

El grupo de Wang descubrió que la capa se comporta como un llamado antiferromagnet cuando probaron las uniones del túnel a temperaturas extremadamente frías por debajo de los 400 grados Fahrenheit negativos. o 245 grados Celsius negativos.

Los antiferromagnetos se encuentran bajo investigación intensiva porque pueden ser potencialmente manipulados en frecuencias de Terahercios, alrededor de 1, 000 veces más rápido que el existente, tecnología basada en silicio, que normalmente opera en la región de Gigahertz. Hasta ahora, sin embargo, los investigadores han luchado por encontrar formas de manipular los dispositivos prometedores, un primer paso crucial en la aplicación de la tecnología al almacenamiento de datos.

"En algunos casos, los investigadores lograron controlar con éxito los materiales antiferromagnéticos de forma aislada, "Wang dijo, "pero tan pronto como intentas incorporar una capa antiferromagnética en una unión de túnel magnético, y eso es lo que tienes que hacer para usarlos para la espintrónica, mata todo".

Hoewever, la capa informada en este estudio no lo hace, El equipo de Wang lo encontró. Por primera vez, esto puede permitir a los investigadores unir las ventajas de los antiferromagnetos (velocidad de lectura y escritura sin precedentes) con la capacidad de control de las uniones de túnel magnéticas, Dijo Wang.

"Con este estudio, demostramos por primera vez que podemos cambiar la propiedad antiferromagnética de una unión de túnel magnético utilizando un campo eléctrico, lo que nos acerca un paso más hacia el uso de espintrónica antiferromagnética para el almacenamiento de memoria, "Dijo Wang.

He aquí por qué:si bien el uso de giros en antiferromagnetos para procesar información aumenta enormemente la velocidad de cálculo, eventualmente esa información tiene que volver a convertirse en una carga eléctrica, Dijo Wang.

"Cualquier información que codifiquemos en spin, no importa si es antiferromagnético o magnético, eventualmente queremos leer como una señal eléctrica porque el electrón es realmente lo mejor que tenemos y el medio más popular para procesar, leer y escribir información, ", dijo." Esa conversión se realiza normalmente mediante uniones de túneles magnéticos ".

La incorporación de capas antiferromagnéticas en las uniones de túneles magnéticos puede algún día permitir a los ingenieros diseñar computadoras en las que el procesamiento de la información ocurra en el mismo lugar que se almacena la información. similar al cerebro humano.

Los dispositivos espintrónicos ofrecen otra ventaja sobre los transistores convencionales, Según Wang:No requieren energía solo para mantener la información almacenada en la memoria.

"Con espintrónica, solo necesitas el campo eléctrico para escribir la información, pero una vez hecho esto puede apagarlo para reducir el consumo de energía, " él dijo.

Transistores basados ​​en silicio por otro lado, sufre un efecto conocido como fuga de electrones, Dijo Wang. A medida que los fabricantes están metiendo cada vez más transistores en áreas más pequeñas de microprocesadores, cada vez se pierden más electrones, requiriendo que el dispositivo realice un trabajo adicional y consuma energía adicional solo para contrarrestar este proceso.

La fuga de electrones es una de las razones por las que se prevé que la Ley de Moore, que establece que el número de transistores en un chip se duplica cada dos años, termine pronto. Dijo Wang.

Con dispositivos espintrónicos, las fugas no son un problema; pueden almacenar información virtualmente indefinidamente sin consumir energía.

"Es la misma razón por la que los imanes de su refrigerador pueden permanecer en su lugar durante mucho tiempo, ", dijo." Una vez que se ha realizado la interacción de intercambio mecánico cuántico, no energy input is needed to maintain the magnetization direction."