El electrón es una de las partículas fundamentales de la naturaleza sobre las que leemos en la escuela. Su comportamiento contiene pistas sobre nuevas formas de almacenar datos digitales.

En un estudio publicado en Nano letras , Los físicos de la Universidad Tecnológica de Michigan exploran materiales alternativos para mejorar la capacidad y reducir el tamaño de las tecnologías de almacenamiento de datos digitales. Ranjit Pati, profesor de física en Michigan Tech, dirigió el estudio y explica la física detrás del nuevo diseño de nanocables de su equipo.

"Gracias a una propiedad llamada spin, los electrones se comportan como pequeños imanes, "Dijo Pati." Similar a cómo la magnetización de un imán de barra es dipolar, apuntando de sur a norte, los electrones de un material tienen vectores de momento dipolar magnético que describen la magnetización del material ".

Cuando estos vectores están en orientación aleatoria, el material no es magnético. Cuando son paralelos entre sí, se llama ferromagnetismo y las alineaciones antiparalelas son antiferromagnetismo. La tecnología actual de almacenamiento de datos se basa en materiales ferromagnéticos, donde los datos se almacenan en pequeños dominios ferromagnéticos. Esta es la razón por la que un imán lo suficientemente fuerte puede estropear un teléfono móvil u otro almacenamiento electrónico.

Desafíos del almacenamiento de datos

Dependiendo de la dirección de magnetización (si apunta hacia arriba o hacia abajo), los datos se registran como bits (un 1 o un 0) en dominios ferromagnéticos. Sin embargo, hay dos cuellos de botella, y ambos dependen de la proximidad. Primero, acercar demasiado un imán externo, y su campo magnético podría alterar la dirección de los momentos magnéticos en el dominio y dañar el dispositivo de almacenamiento. Y, segundo, cada uno de los dominios tiene un campo magnético propio, para que tampoco puedan estar demasiado cerca el uno del otro. El desafío con los más pequeños mas flexible, La electrónica más versátil es que exigen dispositivos que dificultan la separación segura de los dominios ferromagnéticos.

"El empaquetado de datos de densidad ultra alta sería una tarea desalentadora con dominios de memoria ferromagnéticos, "Pati dijo." Materiales antiferromagnéticos, por otra parte, están libres de estos problemas ".

Por sí solos, los materiales antiferromagnéticos no son buenos para los dispositivos electrónicos, pero no están influenciados por campos magnéticos externos. Esta capacidad para resistir la manipulación magnética comenzó a recibir más atención de la comunidad de investigadores y el equipo de Pati utilizó una teoría cuántica predictiva de muchos cuerpos que considera las interacciones electrón-electrón. El equipo descubrió que los nanocables dopados con cromo con un núcleo de germanio y una capa de silicio pueden ser un semiconductor antiferromagnético.

Antiferromagnetismo

Varios grupos de investigación han demostrado recientemente la manipulación de estados magnéticos individuales en materiales antiferromagnéticos utilizando corriente eléctrica y láseres. Observaron la dinámica de espín en la frecuencia de terahercios, mucho más rápido que la frecuencia utilizada en nuestros dispositivos de almacenamiento de datos actuales. Esta observación ha abierto una plétora de intereses de investigación en antiferromagnetismo y podría conducir a almacenamiento de datos de mayor capacidad.

"En nuestro trabajo reciente, Hemos aprovechado con éxito las características intrigantes de un antiferromaimán en un formato de baja dimensión, nanocable semiconductor complementario compatible con óxido de metal (CMOS) sin destruir la propiedad semiconductora del nanoalambre, Pati dijo:"Esto abre posibilidades para dispositivos electrónicos más pequeños e inteligentes con mayor capacidad de almacenamiento y manipulación de datos".

Pati agrega que la parte más emocionante de la investigación para su equipo fue descubrir el mecanismo que dicta el antiferromagnetismo. El mecanismo se llama superecambio y controla el espín de los electrones y la alineación antiparalela que los hace antiferromagnéticos. En el nanoalambre del equipo, los electrones de germanio actúan como intermediarios, un intercambiador, entre átomos de cromo no conectados.

"La interacción entre los estados magnéticos de los átomos de cromo está mediada por los átomos intermedios a los que están unidos. Es un fenómeno magnético cooperativo, "Dijo Pati." De una manera simple, digamos que hay dos personas A y B:están muy separadas y no pueden comunicarse directamente. Pero A tiene un amigo C y B tiene un amigo D. C y D son amigos cercanos. Entonces, A y B pueden interactuar indirectamente a través de C y D. "

Comprender mejor cómo se comunican los electrones entre amigos atómicos permite más experimentos para probar el potencial de materiales como los nanocables dopados con cromo. Comprender mejor la naturaleza antiferromagnética del material de nanocables de germanio-silicio es lo que aumenta el potencial de más inteligente Electrónica de mayor capacidad.