Los investigadores han desarrollado un método innovador para crear dispositivos informáticos más compactos y energéticamente eficientes utilizando circuitos magnónicos.

Al utilizar corrientes alternas para generar y dirigir ondas de espín en pares de vórtices ferromagnéticos sintéticos, este nuevo enfoque promete avances significativos respecto de la tecnología CMOS tradicional, conduciendo potencialmente a la próxima generación de sistemas informáticos.

Avance en la miniaturización y eficiencia de la informática

Las unidades centrales de procesamiento (CPU) de nuestros ordenadores portátiles, de sobremesa y teléfonos dependen de miles de millones de transistores fabricados con tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS). A medida que aumenta la demanda de dispositivos más pequeños, han surgido limitaciones físicas y preocupaciones sobre su viabilidad a largo plazo. Además, su importante consumo de energía y sus pérdidas están impulsando la búsqueda de arquitecturas informáticas alternativas.

Aprovechamiento de las ondas de espín para la tecnología del futuro

Uno de los candidatos más prometedores son los magnones, los cuantos de ondas de espín. “Imaginemos un lago en calma. Si dejamos caer una piedra al agua, las ondas resultantes se propagarán alejándose del punto de generación. Ahora, reemplazamos el lago con un material magnético y la piedra con una antena. Las ondas que se propagan se denominan ondas de espín y pueden usarse para transferir energía e información de un punto a otro con pérdidas mínimas”, dice Sabri Koraltan, de la Universidad de Viena, primer autor del reciente estudio publicado en la revista Science Advances el 25 de septiembre.

Una vez generadas, las ondas de espín se pueden utilizar en dispositivos magnónicos para realizar tareas informáticas clásicas y no convencionales.

“Para reducir el espacio que ocupan los dispositivos magnónicos, necesitamos utilizar ondas de espín con longitudes de onda cortas, que son difíciles de generar con nanoantenas de última generación debido a su eficiencia limitada”, añade Sebastian Wintz, del Helmholtz-Zentrum de Berlín y coordinador del proyecto de investigación. Las nanoantenas solo se pueden fabricar en salas blancas, instalaciones de nanofabricación altamente especializadas, utilizando técnicas de litografía avanzadas.

Innovando con pares de vórtices ferrimagnéticos sintéticos

En un gran avance, los investigadores de Austria y Alemania dieron con una solución mucho más sencilla: la corriente eléctrica fluye directamente a través de una pila magnética con patrones magnéticos giratorios.

“Nuestra investigación demuestra que, al utilizar una geometría de corriente alterna lateral en pares de vórtices ferromagnéticos sintéticos, podemos lograr una emisión de ondas de espín con una eficiencia que supera a los métodos convencionales en varios órdenes de magnitud”, afirma Sabri Koraltan. Los sistemas ferromagnéticos sintéticos tienen patrones de magnetización opuestos.

Si la capa superior tiene un vórtice que gira en el sentido de las agujas del reloj, la capa inferior tiene un sentido de rotación contrario a las agujas del reloj. Esto permite la excitación eficiente del patrón de magnetización utilizando los campos magnéticos generados por las corrientes alternas.

«Gracias a nuestro microscopio de rayos X de alta resolución ‘Maxymus’, instalado en el sincrotrón electrónico BESSY II de Berlín, pudimos observar incluso las ondas de espín previstas en longitudes de onda a escala nanométrica y frecuencias de gigahercios», añade Sebastian Wintz.

“Además, al incorporar materiales especiales que pueden cambiar su magnetización cuando se les aplica una tensión, hemos demostrado que la dirección de estas ondas de espín se puede dirigir dinámicamente simplemente ajustando la magnitud de la corriente aplicada. Esto puede considerarse un paso importante hacia los dispositivos magnónicos activos”, completa Sabri Koraltan.

“Nuestra nueva generación de software de simulación micromagnética, magnum.np, nos permitió realizar simulaciones a gran escala, que fueron cruciales para comprender los principales mecanismos detrás de esta excitación de onda de espín eficiente y controlable”, agrega Dieter Süss, jefe del Departamento de Física de Materiales Funcionales de la Universidad de Viena.

La capacidad de redirigir las ondas de espín a demanda abre nuevas posibilidades para crear circuitos magnónicos reprogramables, lo que podría dar lugar a sistemas informáticos más adaptables y energéticamente eficientes. Los hallazgos, publicados en Science Advances, representan un avance importante en la búsqueda de nuevas formas de generar magnones para posibles tecnologías basadas en magnones de próxima generación.