Debido a su potencial para hacer que las computadoras sean más rápidas y los teléfonos inteligentes más eficientes, la espintrónica se considera un concepto prometedor para el futuro de la electrónica. En una colaboración que incluye al Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes MPI-IS y Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR, un equipo de investigadores ha generado con éxito las llamadas ondas de espín mucho más fácil y eficientemente de lo que se consideraba posible anteriormente. Los investigadores están presentando sus resultados en la revista Cartas de revisión física.
Los chips de computadora modernos se basan en el transporte de cargas eléctricas: cada evento de procesamiento hace que una corriente de electrones fluya en un componente electrónico. Estos electrones encuentran resistencia, lo que genera un calor no deseado. Cuanto más pequeñas son las estructuras de un chip, más difícil esdisipar el calor. Esta arquitectura basada en la carga es también en parte la razón por la que las velocidades de reloj de los procesadores no han experimentado ningún aumento significativo en años. La curva de desarrollo agradable y constante del rendimiento y la velocidad del chip ahora se está aplanando. "Los conceptos existentes están alcanzando sulímites ", explica el Dr. Sebastian Wintz del Instituto de Investigación de Materiales y Física de Rayos de Iones en HZDR." Por eso estamos trabajando en una nueva estrategia, las ondas de giro ".
Este enfoque ya no implica el transporte de cargas, sino que solo transfiere el momento angular intrínseco de los electrones , spin ' en un material magnético. Los electrones mismos permanecen estacionarios, mientras que solo cambian sus espines. Dado que los espines de los electrones vecinos se detectan entre sí, un cambio en un espín puede viajar a sus vecinos. El resultado es una señal magnética que atraviesa el material como una onda, una onda de espín. La ventaja de los componentes accionados por espín es que generarían muy poco calor, lo que significa quepodría consumir mucho menos energía, y esto es de gran interés para dispositivos móviles como teléfonos inteligentes. También puede ser posible miniaturizar aún más los componentes para ciertas aplicaciones porque las ondas de espín tienen longitudes de onda mucho más cortas que las señales electromagnéticas comparables, por ejemplo, en las comunicaciones móviles.Esto significa que podríamos colocar más circuitos en un chip de los que podemos hoy.
Agitando una onda giratoria con un vórtice magnético
Antes de que podamos hacer todo esto, primero necesitamos mucha más investigación fundamental. Por ejemplo, necesitamos saber cómo generar ondas de giro de manera eficiente. Los expertos han estado tratando de resolver esto por un tiempo, uniendo metal del tamaño de un micrómetrotiras en capas magnéticas delgadas. Una corriente alterna que atraviesa esta tira crea un campo magnético que se limita a un espacio muy pequeño. Este campo entonces excitará una onda de giro en la capa magnética. Pero este método tiene una desventaja: es difícil dehacer que la longitud de onda de las ondas de giro generadas sea menor que el ancho de la tira de metal, lo cual es desfavorable para el desarrollo de componentes altamente integrados con estructuras de tamaño nanométrico.
Sin embargo, hay una alternativa: un material magnético con forma de discos circulares evoca la formación de vórtices magnéticos cuyos núcleos no miden más de diez nanómetros. Un campo magnético puede hacer que este núcleo de vórtice oscile, lo que desencadena una onda de giro en la capa.. "Hace algún tiempo, necesitábamos materiales de múltiples capas relativamente complejos para que esto sucediera", informa Wintz. "Ahora hemos logrado enviar ondas de giro desde núcleos de vórtice en un material muy simple". Ellos usan unfabricar una capa de aleación de níquel-hierro de aproximadamente 100 nanómetros de espesor.
longitudes de onda inesperadamente cortas
Lo notable es la longitud de onda de las ondas de giro generadas: apenas 80 nanómetros. "La comunidad de expertos se sorprendió de que hiciéramos esto con un material tan simple", dice el Dr. Georg Dieterle, quien exploró el fenómeno en su tesis doctoral enMPI-IS. "Tampoco esperábamos poder generar ondas tan cortas en frecuencias en el rango inferior de gigahercios". Los expertos creen que la razón de las longitudes de onda cortas reside en la forma en que viajan. Cerca de la sección transversalcentro de la capa de hierro de níquel, la onda de giro forma una especie de "nudo", dentro del cual la dirección magnética oscila solo hacia arriba y hacia abajo en lugar de a lo largo de su trayectoria generalmente circular.
Para hacer visibles estos fenómenos, el equipo utilizó un microscopio de rayos X especial en el anillo de almacenamiento de electrones BESSY II en el Helmholtz Zentrum de Berlín. "Este es el único lugar en la tierra que ofrece las resoluciones necesarias de espacio y tiempo en esta combinación,", enfatiza la profesora Gisela Schütz, directora de MPI-IS." Sin este microscopio, no hubiéramos podido observar estos efectos. "Ahora los expertos esperan que sus resultados ayuden a promover el desarrollo de la espintrónica". Nuestros núcleos de vórticepodría, por ejemplo, servir como una fuente local, bien controlable para explorar los fenómenos subyacentes y desarrollar nuevos conceptos con componentes basados en ondas de espín, "proyectos Dieterle". Las ondas de espín que observamos podrían ser de relevancia futura para circuitos altamente integrados."
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Para ayudar a responder estas preguntas de investigación, HZDR opera instalaciones a gran escala, que también son utilizadas por investigadores visitantes: el Ion Beam Center, el High-Magnetic Field Laboratory Dresden y el ELBE Center for High-Power Radiation Sources. HZDR eses miembro de la Asociación Helmholtz y tiene cinco sitios Dresde, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld cerca de Hamburgo con casi 1200 miembros del personal, de los cuales alrededor de 500 son científicos, incluidos 150 candidatos a doctorado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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