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(noticias nanowerk) Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y de la Universidad de Constanza en Alemania, así como de la Universidad de Tohoku en Japón, lograron multiplicar por diez la propagación de los vórtices magnéticos, los llamados skyrmions.
Los resultados de la investigación fueron publicados recientemente en comunicación de la naturaleza (“Difusión de skyrmion mejorada térmicamente activada con fuerza girotrópica efectiva ajustable”).
En el mundo actual, nuestra vida ya no se puede imaginar sin ordenadores. Hasta ahora, estos dispositivos procesaban principalmente información utilizando electrones como portadores de carga, y los propios componentes se calentaban considerablemente. Por tanto, se requiere una refrigeración activa, lo que conlleva elevados costes energéticos.
La espintrónica quiere resolver este problema: en lugar de utilizar el flujo de electrones para procesar información, utiliza su espín o su propio momento angular. Se espera que este enfoque tenga un impacto positivo en el tamaño, la velocidad y la sostenibilidad de las computadoras o ciertos componentes.
Los vórtices magnéticos almacenan y procesan información.
La ciencia a menudo no se fija simplemente en el espín de un solo electrón, sino también en los vórtices magnéticos formados por numerosos espines. Estos vórtices, llamados skyrmions, surgen en finas capas metálicas magnéticas y pueden verse como cuasipartículas bidimensionales. Por un lado, los remolinos se pueden mover de forma selectiva aplicando una pequeña corriente eléctrica a las capas delgadas; Por otro lado, se mueven de forma aleatoria y extremadamente eficiente debido a la difusión.
Un equipo de investigación de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) bajo el liderazgo del Profesor Dr. Mathias Kläui hizo una demostración con un primer prototipo. Este prototipo constaba de finas capas de metal apiladas, algunas de sólo unos pocos átomos de espesor.
Eficiencia energética: aumento de diez veces en la difusión de vórtices
En colaboración con la Universidad de Konstanz y la Universidad de Tohoku en Japón, investigadores de la Universidad de Mainz han dado un paso más hacia la computación no convencional basada en el espín: pudieron aumentar la difusión de skyrmions aproximadamente diez veces utilizando antiferroimanes sintéticos. reduciendo drásticamente y aumentando el consumo de energía y la velocidad de una computadora tan potencial.
«Reducir el consumo de energía en dispositivos electrónicos es uno de los mayores desafíos en la investigación básica», enfatizó el profesor Dr. Ulrich Nowak, que dirigió la parte teórica del proyecto en Constanza.
Pero ¿qué es un antiferroimán y para qué sirve? Los ferromagnetos normales están formados por muchos espines pequeños, todos acoplados para apuntar en la misma dirección, creando un gran momento magnético. En los antiferromagnetos, los espines están alineados alternativamente de manera antiparalela, lo que significa que un espín y sus vecinos directos apuntan en la dirección opuesta. Como resultado, no existe un momento magnético neto, aunque los espines permanecen antiferromagnéticamente bien ordenados.
Los antiferroimanes tienen ventajas significativas, como una dinámica de conmutación tres órdenes de magnitud más rápida, una mejor estabilidad y el potencial de mayores densidades de almacenamiento. Estas propiedades se están investigando intensamente en numerosos proyectos de investigación.
Ventajas de un antiferroimán sintético
Para entender por qué estos antiferroimanes son útiles en este contexto, debemos profundizar un poco más. Cuando los skyrmions se mueven muy rápidamente, en las capas ferromagnéticas surge una componente de fuerza adicional perpendicular a la dirección del movimiento. Este componente de fuerza desvía a los skyrmions de su curso. El resultado es que chocan contra la pared, se atascan y bloquean el paso a los demás. A velocidades más altas, incluso pueden destruirse. Sin embargo, en teoría se sabe que este efecto no se produce con los antiferromagnetos o sólo se produce de forma muy limitada.
Para crear artificialmente un antiferroimán de este tipo, los investigadores acoplaron dos de sus capas ferromagnéticas de tal manera que la magnetización en las dos capas se alinea en direcciones exactamente opuestas y sus campos magnéticos se anulan entre sí. Esto tiene dos ventajas: reducen la fuerza que expulsa a los vórtices fuera de su órbita y, por tanto, aumentan la difusión.
«Hemos creado así un antiferroimán sintético en el que la difusión de los skyrmions es unas diez veces mayor que en las capas individuales», afirma Klaus Raab, físico de la JGU. «Esta difusión se puede utilizar para realizar computación estocástica, una forma de computación que utiliza procesos estocásticos como el movimiento aleatorio de partículas».
El equipo de investigación investigó tanto experimentalmente como mediante simulaciones los efectos de la compensación de las capas magnéticas, así como la influencia de la temperatura y el tamaño de los skyrmions sobre la difusión y, por tanto, sobre el movimiento de los skyrmions. Se encontraron conexiones complicadas: a medida que aumenta la temperatura, los skyrmions tienen más energía para difundirse más rápidamente. El calor también hace que los skyrmions se encojan, lo que tiene un efecto positivo en su movilidad. La compensación de la componente de fuerza vertical también tiene un efecto positivo sobre la difusión. Todos estos efectos son difíciles de separar unos de otros.
«La creciente difusión parece deberse no sólo a la pura compensación de los campos magnéticos, sino también a la consiguiente reducción del tamaño de los skyrmions», resume Raab.
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