Un Enfoque Innovador Para Controlar El Magnetismo Abre El Camino A Los Microchips De Ultrabajo Consumo

Un nuevo enfoque para controlar el magnetismo abre el camino a los microchips de potencia ultrabaja

La ilustración muestra cómo los iones de hidrógeno (puntos rojos), controlados por un voltaje eléctrico, migran a través de un material intermedio para cambiar las propiedades magnéticas de una capa magnética adyacente (mostrada en verde). Imagen: cortesía de los investigadores, editada por MIT News

Un nuevo enfoque para controlar el magnetismo en un microchip podría abrir las puertas a la memoria, la computación y los dispositivos de detección que consumen drásticamente menos energía que las versiones existentes. El enfoque también podría superar algunas de las limitaciones físicas inherentes que han ralentizado el progreso en esta área hasta ahora.

Investigadores en MIT y en el Laboratorio Nacional de Brookhaven han demostrado que pueden controlar las propiedades magnéticas de un material de película delgada simplemente aplicando un pequeño voltaje. Los cambios en la orientación magnética realizados de esta manera permanecen en su nuevo estado sin necesidad de energía continua, a diferencia de los chips de memoria estándar de hoy, según ha descubierto el equipo.

El nuevo hallazgo se informa hoy en la revista Nature Materials, en un artículo de Geoffrey Beach, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y codirector del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT; el estudiante de posgrado Aik Jun Tan; y otros ocho en MIT y Brookhaven.

Spin doctores

A medida que los microchips de silicio se acercan a los límites físicos fundamentales que podrían limitar su capacidad para continuar aumentando sus capacidades mientras disminuyen su consumo de energía, los investigadores han estado explorando una variedad de nuevas tecnologías que podrían superar estos límites. Una de las alternativas prometedoras es un enfoque llamado espintrónica, que hace uso de una propiedad de los electrones llamada espín, en lugar de su carga eléctrica.

Debido a que los dispositivos espintrónicos pueden conservar sus propiedades magnéticas sin la necesidad de energía constante, que requieren los chips de memoria de silicio, necesitan mucha menos energía para funcionar. También generan mucho menos calor, otro factor limitante importante para los dispositivos actuales.

Pero la tecnología espintrónica adolece de sus propias limitaciones. Uno de los ingredientes que más faltan ha sido una forma de controlar de forma fácil y rápida las propiedades magnéticas de un material eléctricamente, aplicando un voltaje. Muchos grupos de investigación de todo el mundo han perseguido ese desafío.

Los intentos anteriores se han basado en la acumulación de electrones en la interfaz entre un imán metálico y un aislante, utilizando una estructura de dispositivo similar a un condensador. La carga eléctrica puede cambiar las propiedades magnéticas del material, pero solo en una cantidad muy pequeña, lo que lo hace poco práctico para su uso en dispositivos reales. También ha habido intentos de utilizar iones en lugar de electrones para cambiar las propiedades magnéticas. Por ejemplo, se han utilizado iones de oxígeno para oxidar una fina capa de material magnético, provocando cambios extremadamente grandes en las propiedades magnéticas. Sin embargo, la inserción y eliminación de iones de oxígeno hace que el material se hinche y encoja, provocando daños mecánicos que limitan el proceso a unas pocas repeticiones, lo que lo vuelve esencialmente inútil para dispositivos computacionales.

El nuevo hallazgo demuestra una forma de evitar eso, al usar iones de hidrógeno en lugar de los iones de oxígeno mucho más grandes utilizados en intentos anteriores. Dado que los iones de hidrógeno pueden entrar y salir muy fácilmente, el nuevo sistema es mucho más rápido y ofrece otras ventajas importantes, dicen los investigadores.

Debido a que los iones de hidrógeno son mucho más pequeños, pueden entrar y salir de la estructura cristalina del dispositivo espintrónico, cambiando su orientación magnética cada vez, sin dañar el material. De hecho, el equipo ha demostrado ahora que el proceso no produce degradación del material después de más de 2000 ciclos. Y, a diferencia de los iones de oxígeno, el hidrógeno puede pasar fácilmente a través de las capas de metal, lo que permite al equipo controlar las propiedades de las capas profundas en un dispositivo que no se podría controlar de ninguna otra manera.

“Cuando bombeas hidrógeno hacia el imán, la magnetización gira”, dice Tan. “En realidad, puede alternar la dirección de la magnetización en 90 grados aplicando un voltaje, y es completamente reversible”. Dado que la orientación de los polos del imán es lo que se utiliza para almacenar información, esto significa que es posible escribir y borrar fácilmente “bits” de datos en dispositivos espintrónicos utilizando este efecto.

Beach, cuyo laboratorio descubrió el proceso original para controlar el magnetismo a través de iones de oxígeno hace varios años, dice que el hallazgo inicial desató una investigación generalizada en una nueva área denominada “iónica magnética”, y ahora este hallazgo más reciente ha “dado vuelta a todo este campo. “

“Este es realmente un avance significativo”, dice Chris Leighton, profesor distinguido de la Universidad McKnight en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota, que no participó en este trabajo. “Actualmente existe un gran interés en todo el mundo en controlar los materiales magnéticos simplemente aplicando voltajes eléctricos. No solo es interesante desde el punto de vista fundamental, sino que también es un cambio potencial para las aplicaciones, donde se utilizan materiales magnéticos para almacenar y procesar información digital “.

Leighton dice: “Usar la inserción de hidrógeno para controlar el magnetismo no es nuevo, pero ser capaz de hacerlo de una manera impulsada por el voltaje, en un dispositivo de estado sólido, con un buen impacto en las propiedades magnéticas, ¡eso es bastante significativo!” Agrega, “esto es algo nuevo, con el potencial de abrir nuevas áreas de investigación adicionales. … Al final del día, controlar cualquier tipo de función de materiales simplemente accionando un interruptor es bastante emocionante. Ser capaz de hacer eso lo suficientemente rápido, durante suficientes ciclos, de una manera general, sería un avance fantástico para la ciencia y la ingeniería “.

Esencialmente, explica Beach, él y su equipo están “tratando de hacer un análogo magnético de un transistor”, que se puede encender y apagar repetidamente sin degradar sus propiedades físicas.

Solo agrega agua

El descubrimiento se produjo, en parte, por casualidad. Mientras experimentaba con materiales magnéticos en capas en busca de formas de cambiar su comportamiento magnético, Tan descubrió que los resultados de sus experimentos variaban mucho de un día a otro por razones que no eran evidentes. Finalmente, al examinar todas las condiciones durante las diferentes pruebas, se dio cuenta de que la diferencia clave era la humedad en el aire: el experimento funcionó mejor en días húmedos que en días secos. Finalmente se dio cuenta de que la razón era que las moléculas de agua del aire se estaban dividiendo en oxígeno e hidrógeno en la superficie cargada del material, y mientras el oxígeno escapaba al aire, el hidrógeno se ionizaba y penetraba en el dispositivo magnético. – y cambiando su magnetismo.

El dispositivo que ha producido el equipo consiste en un sándwich de varias capas delgadas, incluida una capa de cobalto donde tienen lugar los cambios magnéticos, intercalada entre capas de un metal como paladio o platino, y con una superposición de óxido de gadolinio, y luego un Capa de oro para conectarse a la tensión eléctrica de conducción.

El magnetismo se cambia con solo una breve aplicación de voltaje y luego permanece fijo. Revertirlo no requiere energía en absoluto, solo cortocircuitar el dispositivo para conectar sus dos lados eléctricamente, mientras que un chip de memoria convencional requiere energía constante para mantener su estado. “Dado que solo aplica un pulso, el consumo de energía puede disminuir”, dice Beach.

Los nuevos dispositivos, con su bajo consumo de energía y alta velocidad de conmutación, podrían eventualmente ser especialmente útiles para dispositivos como la informática móvil, dice Beach, pero el trabajo aún se encuentra en una etapa temprana y requerirá un mayor desarrollo.

“Puedo ver prototipos basados ​​en laboratorio en unos pocos años o menos”, dice. Hacer una celda de memoria de trabajo completa es “bastante complejo” y podría llevar más tiempo, dice.

El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation a través del Programa del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC).

Publicación: Aik Jun Tan, et al., “Control magnetoiónico del magnetismo mediante una bomba de protones de estado sólido”, Nature Materials (2018)

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