Descubren forma de controlar los imanes que podría conducir a un almacenamiento de datos más rápido

El sistema reversible puede cambiar la orientación magnética de las partículas con un pequeño voltaje; podría conducir a un almacenamiento de datos más rápido y sensores más pequeños.

La mayoría de los imanes que encontramos a diario están hechos de materiales “ferromagnéticos“.

Los ejes magnéticos norte-sur de la mayoría de los átomos en estos materiales están alineados en la misma dirección, por lo que su fuerza colectiva es lo suficientemente fuerte como para producir una atracción significativa.

Estos materiales forman la base de la mayoría de los dispositivos de almacenamiento de datos en el mundo de alta tecnología actual.

Menos comunes son los imanes basados ​​en materiales ferrimagnéticos, con una “i”.

En estos, algunos de los átomos están alineados en una dirección, pero otros están alineados precisamente en la forma opuesta.

Como resultado, el campo magnético general que producen depende del equilibrio entre los dos tipos: si hay más átomos apuntados en una dirección que en la otra, esa diferencia produce un campo magnético neto en esa dirección.

En principio, debido a que sus propiedades magnéticas están fuertemente influenciadas por fuerzas externas, los materiales ferrimagnéticos deberían poder producir almacenamiento de datos o circuitos lógicos que sean mucho más rápidos y puedan empaquetar más datos en un espacio dado que los ferromagnetos convencionales de hoy.

Pero hasta ahora no ha habido una forma simple, rápida y confiable de cambiar la orientación de estos imanes para pasar de un 0 a un 1 en un dispositivo de almacenamiento de datos.

Investigadores del MIT y otros lugares han desarrollado un método de este tipo, una forma de cambiar rápidamente la polaridad magnética de un ferrimagnético 180 grados, utilizando solo un pequeño voltaje aplicado.

El descubrimiento podría marcar el comienzo de una nueva era de dispositivos de almacenamiento de datos y lógica ferrimagnética, dicen los investigadores.

El nuevo sistema utiliza una película de material llamado gadolinio cobalto, parte de una clase de materiales conocidos como ferrimagnetos de metales de transición de tierras raras.

En él, los dos elementos forman redes de átomos entrelazados, y los átomos de gadolinio tienen preferentemente sus ejes magnéticos alineados en una dirección, mientras que los átomos de cobalto apuntan en la dirección opuesta.

El equilibrio entre los dos en la composición de la aleación determina la magnetización general del material.

Pero los investigadores encontraron que al usar un voltaje para dividir las moléculas de agua a lo largo de la superficie de una película en oxígeno e hidrógeno, el oxígeno se puede ventilar mientras que los átomos de hidrógeno, o más precisamente sus núcleos, que son protones individuales, pueden penetrar profundamente en el material, y esto altera el equilibrio de las orientaciones magnéticas.

El cambio es suficiente para cambiar la orientación del campo magnético neto en 180 grados, exactamente el tipo de inversión completa que se necesita para dispositivos como las memorias magnéticas.

“Descubrimos que al cargar hidrógeno en esta estructura podemos reducir mucho el momento magnético del gadolinio”, explica Huang.

El momento magnético es una medida de la fuerza del campo producido por la alineación del eje de giro del átomo.

Debido a que el cambio se logra solo con un cambio de voltaje, en lugar de una corriente eléctrica aplicada que causaría calentamiento y, por lo tanto, desperdiciaría energía a través de la disipación de calor, este proceso es altamente eficiente en energía, dice Beach, quien es el codirector de Investigación del Laboratorio de Materiales del MIT.

El proceso de bombear núcleos de hidrógeno al material resulta ser notablemente benigno, dice.

“Uno pensaría que si toma algún material y bombea otros átomos o iones en ese material, lo expandiría y lo rompería.

Pero resulta que para estas películas, y en virtud del hecho de que el protón es una entidad tan pequeña, puede infiltrarse en la mayor parte de este material sin causar el tipo de fatiga estructural que conduce a fallas “.

Esa estabilidad se ha demostrado mediante pruebas extenuantes.

El material fue sometido a 10,000 inversiones de polaridad sin signos de degradación, dice Huang.

El material tiene propiedades adicionales que pueden encontrar aplicaciones útiles, dice Beach.

La alineación magnética entre los átomos individuales en el material funciona un poco como resortes, explica.

Si un átomo comienza a desalinearse con los demás, esta fuerza similar a un resorte lo empuja hacia atrás.

Y cuando los objetos están conectados por resortes, tienden a generar ondas que pueden viajar a lo largo del material.

“Para este material magnético, se denominan ondas de giro.

Obtienes oscilaciones de magnetización en el material y pueden tener frecuencias muy altas “.

De hecho, pueden oscilar hacia arriba del rango de terahercios, dice, “lo que los hace excepcionalmente capaces de generar o detectar radiación electromagnética de muy alta frecuencia.

No hay muchos materiales que puedan hacer eso “.

Las aplicaciones relativamente simples de este fenómeno, en forma de sensores, podrían ser posibles en unos pocos años, dice Beach, pero las más complejas, como los circuitos de datos y lógicos, tomarán más tiempo, en parte porque todo el campo de la tecnología basada en ferrimagnéticos es relativamente nuevo.

La metodología básica, además de estos tipos específicos de aplicaciones magnéticas, también podría tener otros usos, dice.

“Esta es una forma de controlar las propiedades dentro de la mayor parte del material mediante el uso de un campo eléctrico”, explica.

“Eso en sí mismo es bastante notable“.

Se han realizado otros trabajos para controlar las propiedades de la superficie utilizando voltajes aplicados, pero el hecho de que este método de bombeo de hidrógeno permita una alteración tan profunda permite “controlar una amplia gama de propiedades”, dice.

Fuente: Nature Nanotechnology