Dispositivos súpereficientes de almacenamiento de datos podrían alimentar equipos del futuro
23 de Mayo de 2019 | Historia original de MIPT
Los investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y sus colegas de Alemania y Holanda han logrado la magnetización de material switching en escalas temporales más cortas, a un costo de energía mínimo. Ellos han desarrollado un prototipo de dispositivos de almacenamiento de datos energéticamente eficientes. El artículo fue publicado el 15 de mayo en el Journal Nature. Crédito: Oficina de prensa de @tsarcyanide/MIPT
El rápido desarrollo de las tecnologías de la información (TI) requiere dispositivos de almacenamiento de datos controlados por mecanismos cuánticos y sin pérdidas de energía. Mantener los centros de datos consume más del 3% de la energía generada en todo el mundo y esta cifra está creciendo. Mientras que la escritura y lectura de información son un cuello de botella para el desarrollo de TI, las leyes fundamentales de la naturaleza en realidad no prohíben la existencia del almacenamiento de datos rápido y eficiente en el empleo de energía.
La forma más fiable de almacenamiento es codificarla como datos binarios (ceros y unos), que corresponden a las orientaciones de los imanes microscópicos, conocidos como espines, en materiales magnéticos. Así es como los discos duros de las computadoras almacenan la información. Para realizar la conmutación entre sus dos estados básicos, se remagnetizan a través de un pulso de campo magnético externo. Sin embargo, esta operación requiere mucho tiempo y energía.
En 2016, Sebastian Baierl de la Universidad de Ratisbona en Alemania, Anatoly Zvezdin de MIPT en Rusia, Alexey Kimel de la Universidad de Radboud Nijmegen en Holanda y la Universidad Tecnológica Rusa MIREA, junto con otros colegas, propusieron una forma de conmutación rápida del espín empleando el ferroimán débil de ortoferrita de tulio (una sal de uno de los elementos de la familia de las tierras raras) mediante rayos-T . Su técnica, consistente en la remagnetización los bits de memoria, demostró ser más rápida y eficiente que la de usar pulsos de campos magnéticos externos. Este efecto proviene de una conexión especial entre los estados de espín y el componente eléctrico de un pulso de rayos-T.
Los pulsos terahercios tienen una duración en el rango de los picosegundos, lo que corresponde a un ciclo de oscilación de la luz, es decir, es mucho más rápido que cualquier tecnología actual.
"La idea fue utilizar el mecanismo de conmutación del espín previamente descubierto como un instrumento para conducir eficientemente espines fuera de equilibrio y el estudio de las limitaciones fundamentales en la velocidad y el costo de energía de la escritura de la información. Nuestra investigación se centró en las denominadas huellas dactilares del mecanismo con la máxima velocidad posible y mínima disipación de energía", comentó el profesor Alexey Kimel de la Universidad Radboud Nijmegen y MIREA,coautor del estudio.
En este estudio, se exponen los estados de espín a pulsos T especialmente sintonizados. Sus energías de fotón características están en el orden de la barrera de energía entre los estados de espín. Los pulsos duran picosegundos, que corresponde a un ciclo de oscilación de la luz. El equipo utilizó una estructura especialmente desarrollada compuesta por antenas de oro de tamaño micrómetrico depositadas en una muestra de ortoferrita de tulio.
Como resultado, los investigadores descubrieron las firmas espectrales características que indican la exitosa conmutación del espín, sólo con las pérdidas mínimas de energía impuestas por las leyes fundamentales de la termodinámica. Por primera vez, un interruptor de espín se ha completado en sólo 3 picosegundos, casi sin disipación de energía. Esto demuestra el enorme potencial del magnetismo para abordar los problemas cruciales de la tecnología de la información. Según los investigadores, sus hallazgos experimentales coinciden con las predicciones teóricas del modelo.
"Las tierras raras, que proporcionaron la base para este descubrimiento, están experimentando actualmente una especie de renacimiento", dijo el profesor Anatoly Zvezdin, que dirige el laboratorio de heteroestructuras magnéticas y espintrónica en MIPT. "Sus propiedades fundamentales se estudiaron hace medio siglo, con importantes contribuciones de los físicos rusos, alumnos de MSU y MIPT. Este es un excelente ejemplo de cómo la investigación básica encuentra sus aplicaciones prácticas, décadas después de completadas. "
El trabajo conjunto de varios equipos de investigación ha conducido a la creación de una estructura que es un prototipo prometedor de futuros dispositivos de almacenamiento de datos. Estos dispositivos serían compactos y capaces de transferir datos dentro de picosegundos. Ajustar este almacenamiento con antenas lo hará compatible con fuentes de rayos T en chip."
Este artículo ha sido republicado a partir de los materiales proporcionados por el MIPT. Nota: el material puede haber sido editado por su longitud y contenido. Para obtener más información, ver la fuente citada.
Referencia: Schlauderer, S., Lange, C., Baierl, S., Ebnet, T., Schmid, C. P., Valovcin, D. C., Huber, R. (2019). Temporal and spectral fingerprints of ultrafast all-coherent spin switching. Nature, 569(7756), 383. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1174-7
