Revolucionando el almacenamiento de datos: nanoestructuras magnéticas de nueva generación con capas de invisibilidad

• Investigadores diseñaron nanoestructuras magnéticas con una capa de invisibilidad.
• La alta velocidad de diminutas estructuras de bits magnéticos puede lograrse ajustando cuidadosamente la fuerza de la capa de invisibilidad.

Para almacenamiento de datos de estado sólido de alto rendimiento y aplicaciones lógicas, los investigadores se centran en dispositivos basados en espín. Uno de los enfoques prometedores es codificar bits mediante pequeños skyrmions o paredes de dominio, que pueden desplazarse por corrientes en dispositivos basados en pistas de carrera (race track).

Para los físicos, el magnetismo está principalmente ligado a los movimientos rotacionales de los electrones en los átomos. Los electrones orbitan alrededor del núcleo y giran alrededor de su propio eje. Este movimiento produce un momento magnético del átomo.

El campo magnético parásito correspondiente a este momento magnético se usa para extraer/leer datos almacenados magnéticamente de un dispositivo. En los discos duros actuales, el tamaño de un bit magnético alcanza hasta 15×45 nanómetros; aproximadamente 1 billón de ellos cabrían en un sello.

Para almacenar bits magnéticamente en una ubicación fija en el chip y extraerlos después, es necesario transferir los bits magnéticos de ida y vuelta en el chip mediante pulsos de corriente. El problema es que el campo magnético parásito impide que los bits se hagan más pequeños para un empaquetamiento más denso de datos. Además, el momento magnético asociado al campo parásito debe ser capaz de mover las estructuras.

La capa de invisibilidad del átomo

En este estudio, los investigadores colocaron con éxito una «capa de invisibilidad» en nanoestructuras magnéticas y analizaron qué tan rápidas y pequeñas pueden llegar a ser estos bits. Para ello, fusionaron átomos de diferentes elementos que tienen electrones girando en direcciones opuestas y, por tanto, momentos magnéticos opuestos.

Esto canceló (o en algunos casos redujo) el campo magnético parásito; sin embargo, cada átomo en la nanoestructura sigue teniendo un momento magnético: juntos, estos átomos aparecen encubiertos.

Referencia: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | Instituto Max Born

A pesar del encubrimiento, los investigadores obtuvieron imágenes de las diminutas estructuras mediante holografía de rayos X. Al hacer selectivamente visibles los momentos magnéticos de solo una especie atómica, registraron la imagen de la estructura a pesar de la capa de invisibilidad.

Orden ferromagnético (FM) y antiferromagnético (AFM) entre momentos atómicos vecinos | Cortesía de los investigadores

Aplicaciones en almacenamiento de datos

Configurando cuidadosamente la potencia de la capa de invisibilidad, es posible cumplir dos objetivos simultáneamente.

El tamaño de las estructuras magnéticas circulares es muy pequeño: el radio de la estructura más pequeña se halló en solo 5 nanómetros. En el futuro, si estas estructuras pudieran adoptarse en dispositivos de almacenamiento de datos, su capacidad aumentaría significativamente.

Investigaciones adicionales revelaron que los bits encubiertos pueden desplazarse muy rápidamente mediante pulsos de corriente cortos —uno de los parámetros cruciales para su uso real en dispositivos de memoria. Los investigadores mencionaron que alcanzó una velocidad superior a 1 km/s.

Tanto la órbita del electrón alrededor del núcleo como el espín del electrón alrededor de su propio eje contribuyen de forma diferente al momento magnético: el efecto del espín propio del electrón es el doble de grande que el de su órbita.

Se pueden combinar diferentes tipos de átomos con diferentes direcciones de rotación de electrones para cancelar la rotación total. El llamado momento angular del sistema sería constante, mientras que el sistema retendría una pequeña cantidad de momento magnético.

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Dado que el momento angular frena las estructuras magnéticas en movimiento mediante pulsos de corriente, la técnica puede usarse para lograr movimientos de alta velocidad. Por tanto, si la fuerza de la capa de invisibilidad se configura correctamente, pueden obtenerse estructuras de bits magnéticos tanto de alta velocidad como diminutas —un aspecto intrigante de los nuevos conceptos de almacenamiento magnético de datos.