Las memorias y los procesadores de computadora experimentales construidos con materiales magnéticos utilizan mucha menos energía que los dispositivos tradicionales basados en silicio. Los materiales magnéticos bidimensionales, compuestos de capas de sólo unos pocos átomos de espesor, tienen propiedades increíbles que podrían permitir que los dispositivos magnéticos alcancen una velocidad, eficiencia y escalabilidad sin precedentes.
Si bien es necesario superar muchos obstáculos hasta que estos llamados materiales magnéticos de Van der Waals puedan integrarse en computadoras que funcionen, los investigadores del MIT dieron un paso importante en esta dirección al demostrar el control preciso de un imán de Van der Waals a temperatura ambiente.
Esto es clave, ya que los imanes compuestos de materiales atómicamente delgados de Van der Waals generalmente solo pueden controlarse a temperaturas extremadamente frías, lo que dificulta su implementación fuera de un laboratorio.
Los investigadores utilizaron pulsos de corriente eléctrica para cambiar la dirección de magnetización del dispositivo a temperatura ambiente. La conmutación magnética se puede utilizar en computación, de la misma manera que un transistor cambia entre abierto y cerrado para representar ceros y unos en código binario, o en la memoria de una computadora, donde la conmutación permite el almacenamiento de datos. La investigación se publica en Nature Communications. .
El equipo disparó ráfagas de electrones a un imán hecho de un nuevo material que puede mantener su magnetismo a temperaturas más altas. El experimento aprovechó una propiedad fundamental de los electrones conocida como espín, que hace que los electrones se comporten como pequeños imanes. Al manipular el giro de los electrones que chocan contra el dispositivo, los investigadores pueden cambiar su magnetización.
"El dispositivo de heteroestructura que hemos desarrollado requiere un orden de magnitud menor de corriente eléctrica para cambiar el imán de Van der Waals, en comparación con la requerida para los dispositivos magnéticos masivos", dice Deblina Sarkar, profesora asistente de desarrollo profesional de AT&T en el Centro y Laboratorio de Medios del MIT. de Ingeniería Neurobiológica, jefe del Laboratorio Nano-Cybernetic Biotrek y autor principal de un artículo sobre esta técnica. "Nuestro dispositivo también es más eficiente energéticamente que otros imanes de Van der Waals que no pueden cambiar a temperatura ambiente."
En el futuro, un imán de este tipo podría utilizarse para construir ordenadores más rápidos que consuman menos electricidad. También podría habilitar memorias magnéticas de computadora que no son volátiles, lo que significa que no pierden información cuando están apagadas, o procesadores que hacen que los complejos algoritmos de IA sean más eficientes energéticamente.
"Hay mucha inercia en el intento de mejorar materiales que funcionaron bien en el pasado. Pero hemos demostrado que si se hacen cambios radicales, empezando por repensar los materiales que se utilizan, se pueden obtener soluciones mucho mejores", afirma Shivam. Kajale, estudiante de posgrado en el laboratorio de Sarkar y coautora principal del artículo.
Los métodos para fabricar pequeños chips de computadora en una sala limpia a partir de materiales a granel como el silicio pueden obstaculizar los dispositivos. Por ejemplo, las capas de material pueden tener apenas 1 nanómetro de espesor, por lo que las minúsculas zonas rugosas de la superficie pueden ser lo suficientemente graves como para degradar el rendimiento.
Por el contrario, los materiales magnéticos de Van der Waals están intrínsecamente estratificados y estructurados de tal manera que la superficie permanece perfectamente lisa, incluso cuando los investigadores quitan capas para fabricar dispositivos más delgados. Además, los átomos de una capa no se filtrarán a otras capas, lo que permite que los materiales conserven sus propiedades únicas cuando se apilan en dispositivos.
"En términos de escalamiento y hacer que estos dispositivos magnéticos sean competitivos para aplicaciones comerciales, los materiales de Van der Waals son el camino a seguir", afirma Kajale.
Pero hay un problema. Esta nueva clase de materiales magnéticos normalmente solo se ha utilizado a temperaturas inferiores a 60 Kelvin (-351 grados Fahrenheit). Para construir una memoria o un procesador de computadora magnético, los investigadores necesitan usar corriente eléctrica para operar el imán a temperatura ambiente.
Para lograrlo, el equipo se centró en un material emergente llamado telururo de hierro y galio. Este material atómicamente delgado tiene todas las propiedades necesarias para un magnetismo eficaz a temperatura ambiente y no contiene elementos de tierras raras, que son indeseables porque extraerlos es especialmente destructivo para el medio ambiente.
Nguyen cultivó cuidadosamente cristales a granel de este material 2D utilizando una técnica especial. Luego, Kajale fabricó un dispositivo magnético de dos capas utilizando escamas a nanoescala de telururo de hierro y galio debajo de una capa de platino de seis nanómetros.
Con un pequeño dispositivo en mano, utilizaron una propiedad intrínseca de los electrones conocida como espín para cambiar su magnetización a temperatura ambiente.
Si bien los electrones técnicamente no "giran" como una peonza, sí poseen el mismo tipo de momento angular. Ese giro tiene una dirección, ya sea hacia arriba o hacia abajo. Los investigadores pueden aprovechar una propiedad conocida como acoplamiento espín-órbita para controlar los espines de los electrones que disparan al imán.
De la misma manera que se transfiere el impulso cuando una bola golpea a otra, los electrones transferirán su "impulso de giro" al material magnético 2D cuando lo golpeen. Dependiendo de la dirección de sus giros, esa transferencia de impulso puede revertir la magnetización.
En cierto sentido, esta transferencia hace girar la magnetización de arriba a abajo (o viceversa), por lo que se llama "par", como en el cambio de par de órbita de giro. La aplicación de un pulso eléctrico negativo hace que la magnetización descienda, mientras que un pulso positivo hace que suba.
Los investigadores pueden realizar esta conmutación a temperatura ambiente por dos razones:las propiedades especiales del telururo de hierro y galio y el hecho de que su técnica utiliza pequeñas cantidades de corriente eléctrica. Bombear demasiada corriente al dispositivo provocaría que se sobrecalentara y se desmagnetizara.
El equipo enfrentó muchos desafíos durante los dos años necesarios para lograr este hito, dice Kajale. Encontrar el material magnético adecuado fue sólo la mitad de la batalla. Dado que el telururo de hierro y galio se oxida rápidamente, la fabricación debe realizarse dentro de una caja con guantes llena de nitrógeno.
"El dispositivo sólo se expone al aire durante 10 o 15 segundos, pero incluso después tengo que hacer un paso en el que lo pulo para eliminar el óxido", afirma.
Ahora que han demostrado la conmutación a temperatura ambiente y una mayor eficiencia energética, los investigadores planean seguir impulsando el rendimiento de los materiales magnéticos de Van der Waals.
"Nuestro próximo hito es lograr la conmutación sin necesidad de campos magnéticos externos. Nuestro objetivo es mejorar nuestra tecnología y ampliarla para llevar la versatilidad del imán de Van der Waals a aplicaciones comerciales", afirma Sarkar.
Más información: Shivam N. Kajale et al, Conmutación inducida por corriente de un ferroimán de van der Waals a temperatura ambiente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45586-4
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
