La tecnología informática actual basada en silicio es energéticamente ineficiente. Se prevé que la tecnología de la información y las comunicaciones utilice más del 20% de la producción mundial de electricidad para 2030. Por lo tanto, encontrar formas de descarbonizar la tecnología es un objetivo obvio para el ahorro de energía. El profesor Paolo Radaelli del Departamento de Física de Oxford, trabajando con Diamond Light Source, el sincrotrón nacional del Reino Unido, ha liderado la investigación de alternativas más eficientes al silicio. Los sorprendentes hallazgos de su grupo se publican en Naturaleza en un artículo titulado "Semicarmiones y bimerones antiferromagnéticos a temperatura ambiente". Algunas de las texturas antiferromagnéticas que han encontrado podrían surgir como candidatas principales para la espintrónica antiferromagnética de baja energía a temperatura ambiente.

Los investigadores han estado trabajando durante mucho tiempo en tecnologías alternativas al silicio. Los óxidos de metales comunes como el hierro y el cobre son objetivos naturales porque ya son un elemento básico de la tecnología. presente en computadoras basadas en silicio, lo que significa que existe una alta probabilidad de compatibilidad entre las dos tecnologías. Aunque los óxidos son excelentes para almacenar información, no son buenos para mover información, una necesidad para la computación. Sin embargo, Una propiedad de los óxidos que ha surgido es que muchos son magnéticos, lo que significa que podría ser posible mover bits magnéticos, tanto en óxidos como en otros imanes, con muy poca energía requerida.

El profesor Radaelli dice:"Los tipos de bits de los que estamos hablando deben ser realmente diminutos (10 nanómetros es la cifra objetivo típica) y deben ser robustos incluso cuando se agitan y se agitan". Esto es muy desafiante porque el riesgo de que simplemente se disipen es muy alto cuando la broca es tan pequeña. Una posible solución vino de la dirección más improbable:un curioso paralelo entre la física del estado sólido y la cosmología. De hecho, la inspiración para este proyecto se estableció en forma de desafío:¿Podemos replicar cuerdas cósmicas en un imán? "

Esencial para obtener respuestas fue el uso de los equipos de la línea de luz de nanociencia de Diamond y el microscopio electrónico de fotoemisión (PEEM). Combina una alta resolución espacial con una alta densidad de flujo para resolver nanoestructuras en escalas de longitud nanométrica. A través del PEEM, la línea de luz de nanociencia puede resolver nanopartículas con diámetros de menos de 20 nm utilizando rayos X suaves polarizados.

Se supone que las cuerdas cósmicas son filamentos en el espacio, mucho más delgado que un átomo pero potencialmente tan largo como la distancia entre las estrellas. Ciertas teorías cosmológicas predicen que podrían haberse formado en los momentos posteriores al Big Bang cuando el universo se enfriaba rápidamente. Aunque los investigadores todavía debaten si existen, una teoría sugiere que una vez formada, las cuerdas cósmicas serían estables y no se "evaporarían, "para que los astrónomos puedan descubrirlos en el futuro. La relevancia de las cuerdas cósmicas y las computadoras es que la descripción matemática de las cuerdas cósmicas es bastante simple. El mismo tipo de condiciones matemáticas que favorecen la formación de cuerdas se pueden encontrar en muchas otras sistemas físicos, incluidos los imanes.

El profesor Radaelli dice:"Es la belleza de la física:las ecuaciones matemáticas que describen el 'macrocosmos' a escalas de pársec también pueden funcionar en el microcosmos a escalas nanométricas. Con el desafío establecido, todo lo que quedaba por hacer era encontrar un imán adecuado. Una vez más, el candidato resultó ser el más improbable:óxido común ".

Óxido de hierro (fórmula química Fe ₂ O ₃ ) es un componente principal de la herrumbre. Cada átomo de hierro actúa como una pequeña brújula, pero esta forma particular de Fe ₂ O ₃ no es magnético en el sentido ordinario de atraer y ser atraído por otros imanes:es un antiferromaimán, de modo que la mitad de las brújulas de Fe apuntan al norte y la otra mitad al sur.

Hace dos años, trabajando en Diamond en muestras producidas en la Universidad de Wisconsin, Madison, El grupo de Oxford de Radaelli descubrió el equivalente magnético de las cuerdas cósmicas en Fe ₂ O ₃ , y las fotografié usando un potente microscopio de rayos X. Estos pequeños objetos conocido como merons, son remolinos magnéticos en los que la aguja de la brújula gira (NESW o NWSE) a medida que uno se mueve de un átomo al siguiente en un bucle de escala nanométrica.

"En retrospectiva, encontrar merones magnéticos fue un gran golpe de suerte, ya que sabemos que son muy difíciles de estabilizar en las condiciones utilizadas para ese primer experimento. Para el artículo publicado hoy, ampliamos nuestra colaboración a la Universidad Nacional de Singapur y logramos encontrar la clave para crear y destruir merones magnéticos a voluntad, explotando el equivalente matemático del "enfriamiento del Big Bang, '", añade Radaelli.

El equipo cree que hay buenas posibilidades de usar "óxido" para crear computadoras súper eficientes. Esto se debe a que, aunque es muy simple en arquitectura, la Fe ₂ O ₃ Un dispositivo basado en el que se encontraron merones y bimerones ya contiene todos los ingredientes para manipular estos pequeños trozos de manera rápida y eficiente, haciendo fluir una pequeña corriente eléctrica en un 'abrigo' metálico extremadamente delgado. "De hecho, según el equipo, controlar y observar el movimiento de merones y bimerones en tiempo real es el objetivo de un futuro experimento de microscopía de rayos X que se encuentra actualmente en fase de planificación.

Pasar de la investigación básica a la aplicada significa que las consideraciones de costo y compatibilidad son de suma importancia. Si bien el óxido de hierro es extremadamente abundante y barato, las técnicas de fabricación empleadas por investigadores de Singapur y Madison son complejas y requieren un control a escala atómica. Sin embargo, los investigadores son optimistas, como demostraron recientemente que es posible despegar una fina capa de óxido de su medio de crecimiento y pegarla en casi cualquier lugar, sin que sus propiedades se vean afectadas en gran medida. Dicen que sus próximos pasos serán el diseño y fabricación de dispositivos de prueba de principio basados ​​en cuerdas cósmicas.