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La investigación sobre el efecto Hall para materiales antiferromagnéticos ha logrado avances significativos gracias a un equipo internacional de científicos, lo que agrega valor a los dispositivos de memoria de próxima generación.
Los materiales antiferromagnéticos exhiben magnetismo interno como resultado del espín de los electrones, pero esencialmente no hay un campo magnético externo. La falta de un campo magnético externo permite almacenar bits densamente empaquetados, lo que los convierte en candidatos perfectos para el almacenamiento de datos.
Por el contrario, los materiales ferromagnéticos convencionales utilizados en los sistemas de memoria magnética convencionales no lo son. En este caso, los bits crean un campo magnético que dificulta mantener su proximidad para evitar la interacción.
Una propiedad crucial de los materiales antiferromagnéticos y ferromagnéticos es el efecto Hall, en el que aparece un voltaje perpendicular a la dirección de la corriente. El signo de un voltaje está representado por una flecha hacia arriba o hacia abajo y, por lo tanto, está representado por los bits 1 o 0. En materiales antiferromagnéticos, el efecto ha sido la base de la física durante unos 10 años, con algunas cosas aún por descubrir.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio en Japón, las universidades de Cornell y Johns Hopkins en los EE. UU. y la Universidad de Birmingham en el Reino Unido han propuesto una explicación para el efecto Hall espontáneo en un antiferromagnético Weyl (Mn3Sn). Los resultados, publicados en la revista Nature Physics, tienen implicaciones tanto para los ferromagnetos como para los antiferromagnetos.
Electrónica digital
La base de la computación digital es la capacidad de leer, escribir y borrar un estado de datos binarios. Los transistores son un tipo de dispositivo semiconductor que puede cambiar una señal eléctrica en los circuitos integrados actuales, actuando como un bit que puede representar un cero o un uno.
Por lo tanto, a menudo nos referimos a un transistor como una puerta lógica simple o un dispositivo digital. Esencialmente, funciona como una celda de memoria. La expansión de las capacidades de rendimiento y procesamiento fue impulsada entonces por la capacidad de miniaturizar transistores y colocar más y más de ellos en una oblea de silicio.
Los científicos se esfuerzan por encontrar alternativas, ya que la Ley de Moore está en peligro y se acerca rápidamente a un límite crítico. Una idea es descubrir cómo hacer cálculos binarios utilizando los estados cuánticos de la materia.
Acceder al estado de espín de un átomo o electrón es otra opción. La espintrónica es un tipo de computación que permite utilizar estados distintos al estado de carga para operaciones de lectura/escritura.
Los dispositivos espintrónicos tienen implicaciones potenciales para el desarrollo de la computación cuántica, la computación neuromórfica y el almacenamiento de datos de alto rendimiento. Estos dispositivos tienen velocidades de procesamiento de datos más rápidas y una mayor densidad de transistores en comparación con los tradicionales.
espín de electrones
El giro de un electrón, una cantidad cuántica, revela intrínsecamente el momento angular del electrón. Aunque no existe una cantidad similar en la física clásica, por comparación nos recuerda la rotación de la partícula alrededor de su propio eje.
Los únicos valores posibles para esta cantidad son +1/2 y -1/2, con los signos reflejando las dos orientaciones posibles, que pueden ser «arriba» o arriba, o «abajo» o abajo. Como resultado, se puede pensar en los electrones como pequeños imanes que giran alrededor de los núcleos de los elementos de la misma manera que la Tierra gira alrededor del sol. Cada electrón tiene su propia orientación de espín única con respecto al núcleo, que puede orientarse de cualquier manera.
Spin es una opción perfecta para la codificación de información, ya que solo acepta estos dos valores, de forma similar a como el código binario usa los bits 0 y 1. Como resultado, se desarrolló el concepto de espintrónica, una nueva forma de electrónica.
Similar al código binario, el estado de espín del electrón tiene dos valores: arriba y abajo, que corresponden a «0» y «1». Estos valores permiten que la información digital se transmita a velocidades más rápidas que la tecnología de silicio utilizada en los transistores modernos y con dimensiones físicas cada vez más pequeñas.
Encontrar un material adecuado para PC y teléfonos inteligentes que se base en la espintrónica y cumpla con dos requisitos: la capacidad de controlar la dirección del espín del electrón y un espín «de por vida» o un ciclo de vida que sea largo- ha resultado difícil, es suficiente para dejar pasar la información. hasta aquí.
materiales antiferromagnéticos
Para la realización tecnológica de sistemas basados en espintrónica, existe una clase única de materiales (antiferromagnetos) con un campo magnético interactivo externo débil o insignificante, crucial para la miniaturización de los dispositivos de almacenamiento. Las principales propiedades de los antiferroimanes son esencialmente las siguientes:
- Insensibilidad a los campos externos debido a la magnetización externa nula.
- Sin interacción con partículas vecinas.
- Tiempos de conmutación cortos (la resonancia antiferromagnética es del orden de THz en lugar de GHz como con los ferromagnetos).
- Amplia selección de materiales antiferromagnéticos como semiconductores y superconductores.
Un material interesante es el semimetal Mn3Sn. El creciente interés por el Mn3Sn se debe al hecho de que, si bien no es un antiferromagnético perfecto, presenta un campo magnético externo débil. El equipo de científicos quería averiguar si este débil campo magnético es responsable del efecto Hall. Básicamente, un cristal antiferromagnético con un efecto Hall anómalo está casi desprovisto de magnetización.
efecto Hall
La partícula cargada en el efecto Hall se desplaza perpendicularmente a un campo magnético externo y en la dirección de la línea eléctrica. Se observa un comportamiento similar en el efecto Hall anómalo, pero no hay un campo magnético externo ya que la estructura reticular del material conductor crea su propio campo magnético.
El efecto Hall anómalo permite a los investigadores estudiar las propiedades de los antiferromagnetos, incluido el piezomagnetismo, que combina la deformación mecánica espontánea con la inducción de un momento magnético.
Algunos cristales antiferromagnéticos y ferrimagnéticos exhiben un fenómeno llamado piezomagnetismo: una relación lineal lo distingue entre la tensión mecánica y la polarización magnética del sistema. Al aplicar una tensión física a un material piezomagnético, se puede inducir un momento magnético espontáneo y, al proporcionar un campo magnético, se puede inducir una tensión física.
Como resultado, a diferencia de la magnetoestricción, permite la regulación bidireccional de un momento magnético. Similar a su primo eléctrico, la piezoelectricidad, este fenómeno puede ser tecnológicamente útil ya que aumenta en magnitud a temperatura ambiente.
Según el artículo del autor «Conmutación piezomagnética del efecto Hall anómalo en un antiferromagnético a temperatura ambiente» publicado en Nature Physics, los estudios del efecto piezomagnético se han limitado principalmente a aisladores antiferromagnéticos a temperaturas criogénicas. El equipo de científicos del estudio descubrió recientemente el piezomagnetismo en Mn3Sn a temperaturas normales.
Utilizando Mn3Sn, descubrieron que aplicando una pequeña deformación uniaxial, del orden del 0,1 %, se puede controlar tanto el signo como la magnitud del efecto Hall anómalo.
experimento
Las pruebas del equipo en un antiferromagnético Weyl encontraron que la aplicación de voltaje resultó en un aumento en el campo magnético residual externo.
El voltaje a través del material cambiaría si el efecto Hall fuera causado por el campo magnético. Los investigadores demostraron que el voltaje no varió significativamente en la práctica. En cambio, concluyeron que el efecto Hall es causado por la alineación de los electrones que giran dentro del material.
Mn3Sn mantiene un campo magnético externo débil. Los investigadores señalan en el artículo que no pudieron demostrar un efecto correspondiente en el voltaje a través del material y, en consecuencia, la disposición de los electrones de espín dentro del material provoca el efecto Hall anómalo.
De esta manera, al cristal antiferromagnético se le puede dar una pequeña deformación uniaxial para afinar el efecto Hall anómalo, lo que permite utilizar el piezomagnetismo para regular el efecto Hall anómalo en Mn3Sn de una manera que difiere de la magnetización a través de la deformación uniaxial (convencionalmente, funcional). el control del efecto Hall anómalo se consigue aplicando un campo magnético externo).
Según los científicos, el experimento demuestra que las interacciones cuánticas entre los electrones de conducción y sus espines crean el efecto Hall. Estos hallazgos son fundamentales para comprender y desarrollar la tecnología de almacenamiento magnético.
El experimento muestra cómo los cambios de red inducidos por el estrés y la anisotropía resultante de los electrones en ciertos materiales pueden usarse para regular el efecto Hall anómalo.
Varios dispositivos de memoria espintrónica ya están en uso. Aunque la MRAM (memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio) se basa en la conmutación ferromagnética, se ha comercializado y puede reemplazar a la memoria electrónica. Usando la misma técnica que los ferromagnetos en MRAM, podemos hacer que el material antiferromagnético Mn3Sn actúe como un dispositivo de memoria simple en el experimento, demostrando el cambio de estados de espín en este material.
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