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Cerdanyola del Vallès, 27 de mayo de 2022. En 2025 se estima que las tecnologías de la información serán responsables de alrededor del 20 % del consumo de electricidad en todo el mundo, lo que requiere el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos nanoelectrónicos que operen de forma más eficiente. La espintrónica es una rama emergente de la nanoelectrónica que utiliza no solo la carga del electrón, sino también su momento angular intrínseco (su espín). Gracias a su carácter no volátil, compatibilidad con los dispositivos semiconductores actuales, y sus altas prestaciones para escritura y lectura de datos, los circuitos espintrónicos tienen un gran potencial para solucionar algunos de estos desafíos venideros.
Sin embargo, a medida que los dispositivos nanoelectrónicos avanzan hacia un futuro donde se necesitan densidades ultra altas de almacenamiento de información, se hacen necesarios nuevos mecanismos para interconectar de manera eficiente circuitos localizados en múltiples planos, lo cual es extremadamente complejo utilizando los métodos actuales.
En un trabajo publicado recientemente en la revista ACS Nano, un equipo internacional liderado por Amalio Fernández-Pacheco, investigador del CSIC en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón, INMA (instituto mixto CSIC-Universidad de Zaragoza) y su estudiante de doctorado Luka Skoric, del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en Reino Unido, ha propuesto y demostrado por primera vez un nuevo concepto para la transferencia de datos magnéticos en tres dimensiones basado en efectos geométricos, que permite la interconexión de planos espintrónicos. A diferencia de los dispositivos espintrónicos tradicionales que usan pulsos de corriente para mover bits magnéticos, este mecanismo utiliza altos gradientes de espesor que dan como resultado el movimiento espontáneo de bits, sin la necesidad de aplicar ningún estímulo externo. Los datos magnéticos en estos dispositivos vienen codificados en forma de paredes de dominio magnéticas que se “mueven de forma espontánea”, es decir sin ningún tipo de estímulo externo, a lo largo de nano-interconectores con forma de espiral.
“Este trabajo propone y demuestra por primera vez un nuevo concepto para la transferencia de datos magnéticos en tres dimensiones basado en efectos geométricos”, comenta Luka Skoric de la Universidad de Cambridge y uno de los autores principales de la publicación. “Hasta ahora, el movimiento de bits magnéticos en dispositivos espintrónicos como la memoria racetrack propuesta por IBM, se basa en la aplicación de estímulos externos, normalmente pulsos de corriente eléctrica. La posibilidad de escalar estos dispositivos racetrack a tres dimensiones podría suponer una revolución para las tecnologías futuras, pero dicho escalado presenta grandes desafíos, desde su fabricación a la disipación de calor durante su funcionamiento. El movimiento espontáneo de paredes de dominio que demostramos en este trabajo constituye una forma robusta y flexible de mover bits en 3D”.
Tal y como indica Amalio Fernández-Pacheco, el autor principal sénior de la publicación, “Se puede pensar en este efecto como si fuera un nano-ascensor magnético que transmite información entre planos espintrónicos. Una vez que las paredes de dominio se introducen en los interconectores3D, éstos se mueven por sí mismos sin necesidad de aplicar ningún tipo de señal externa, tal y como se requería hasta el momento, es decir, sin campos magnéticos, voltajes o corrientes eléctricas. La geometría de los dispositivos lo hace todo”.
Los dispositivos de este trabajo científico se fabricaron en la Universidad de Cambridge mediante una combinación de impresión 3D a nanoescala de última generación y de evaporación térmica, y consisten en estructuras en forma de espiral en 3D de varias micras de longitud y algunas decenas de nanómetros de diámetro. Tras su fabricación, los dispositivos se investigaron en el Sincrotrón ALBA y en el Sincrotrón SOLEIL (Francia), donde se emplearon técnicas de microscopía de rayos X para observar directamente el movimiento espontáneo de las paredes del dominio. Dichos estudios experimentales se complementaron con simulaciones micromagnéticas desarrolladas en la Universidad de Viena.
El movimiento espontáneo de paredes de dominio magnéticas había sido observado previamente en dispositivos espintrónicos 2D gracias a diversos mecanismos, desde gradientes de anchura a interacciones dipolares. En este trabajo, por primera vez y gracias a la impresión 3D a nanoescala de última generación, ha sido posible aprovechar los efectos geométricos 3D para este propósito. Este trabajo abre una nueva ruta para la integración de dispositivos espintrónicos 3D en microchips, además de nuevas vías para el desarrollo de dispositivos neuromórficos con ultra-alta interconectividad.
Experimentos en el Sincrotrón ALBA
Las técnicas de radiación de sincrotrón fueron clave a la hora de caracterizar las estructuras magnéticas y confirmar su funcionamiento, ya que las técnicas de caracterización habituales no son capaces lidiar con la complicada geometría en 3D. En concreto, a partir de la sombra de los objetos en forma de espiral se obtuvieron imágenes de Microscopía Electrónica de Fotoemisión con contraste de dicroísmo magnético circular de rayos X (XMCD-PEEM, por sus siglas en inglés) que dieron a los investigadores la posibilidad de monitorizar la localización de las paredes de dominio magnético durante los experimentos. Además, para llevar a cabo las medidas, fue necesario el uso de un porta-muestras PEEM singular con un imán vectorial en dos dimensiones diseñado en ALBA para poder nuclear y liberar la pared de dominio antes del movimiento espontáneo.
“Estamos muy satisfechos, no solo por este fascinante descubrimiento científico, sino además por el hecho de ver cómo nuestros esfuerzos en preparar la mejor instrumentación posible han dado buenos resultados a nuestros usuarios.” Comenta Michael Foerster, científico de la estación experimental PEEM en la línea de luz CIRCE de ALBA, “y queremos aprovechar esta oportunidad para agradecer a todo el personal de ALBA que nos da apoyo día a día, tanto a nosotros como a los usuarios. Estos desarrollos fueron un trabajo conjunto de varias divisiones e involucraron a muchas personas: técnicos, ingenieros y expertos en diseño de imanes.”
El equipo internacional responsable de este trabajo está formado por miembros de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Glasgow (Reino Unido), el Consejo Superior de Investigaciones Científicas-CSIC, el Instituto Max Plank de química-física de sólidos en Dresde (Alemania), la Universidad de Viena (Austria), la Universidad de Oviedo y la Universidad de Zaragoza, y el Sincrotrón SOLEIL (Francia) y el Sincrotrón ALBA.
Figura. Un nanoascensor de información magnética para la conexión de planos espintrónicos. / Fotografía: Amalio Fernández-Pacheco & Luka Skoric
Referencia: Luka Skoric, Claire Donnelly, Aurelio Hierro-Rodriguez, Miguel A. Cascales Sandoval, Sandra Ruiz-Gómez, Michael Foerster, Miguel A. Niño, Rachid Belkhou, Claas Abert, Dieter Suess, and Amalio Fernández-Pacheco. Domain Wall Automotion in Three-Dimensional Magnetic Helical Interconnectors. ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.1c10345
