Transferencia de información más rápida y eficiente utilizando óxido antiferromagnético

Una corriente eléctrica excita la superposición de dos magnones con polarización lineal (indicada por las flechas roja y azul). Posteriormente, la energía se transporta a través del aislante antiferromagnético. Esto se puede detectar como voltaje eléctrico. Crédito: Ill./ ©: Andrew Ross, JGU

Los físicos utilizan óxido antiferromagnético para transportar información a largas distancias a temperatura ambiente.

Ya sea con teléfonos inteligentes, computadoras portátiles o mainframes: la transmisión, el procesamiento y el almacenamiento de información se basa actualmente en una sola clase de material, como lo fue en los primeros días de la informática hace unos 60 años. Sin embargo, una nueva clase de materiales magnéticos podría llevar la tecnología de la información a un nuevo nivel. Los aisladores antiferromagnéticos permiten velocidades de cálculo mil veces más rápidas que la electrónica convencional, con un calentamiento significativamente menor. Los componentes podrían empaquetarse más juntos y los módulos lógicos podrían volverse más pequeños, lo que hasta ahora ha sido limitado debido al aumento del calentamiento de los componentes actuales.

Transferencia de información a temperatura ambiente

Hasta ahora, el problema ha sido que la transferencia de información en aislantes antiferromagnéticos solo funcionaba a bajas temperaturas. Pero, ¿quién quiere meter sus smartphones en el congelador para poder usarlo? Los físicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) ahora han podido eliminar esta deficiencia, junto con los experimentadores del laboratorio CNRS / Thales, el CEA Grenoble y el Laboratorio Nacional de Alto Campo en Francia, así como los teóricos del Centro de Espintrónica Cuántica. (QuSpin) en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología. “Pudimos transmitir y procesar información en un aislante antiferromagnético estándar a temperatura ambiente, y hacerlo a distancias lo suficientemente largas como para permitir que ocurra el procesamiento de la información”, dijo el científico de JGU Andrew Ross. Los investigadores utilizaron óxido de hierro (α-Fe2O3), el principal componente de la herrumbre, como aislante antiferromagnético, porque el óxido de hierro está muy extendido y es fácil de fabricar.

La transferencia de información en los aislantes magnéticos es posible gracias a las excitaciones de orden magnético conocidas como magnones. Estos se mueven como ondas a través de materiales magnéticos, similar a cómo se mueven las ondas a través de la superficie del agua de un estanque después de que se ha arrojado una piedra. Anteriormente, se creía que estas ondas debían tener polarización circular para transmitir información de manera eficiente. En el óxido de hierro, dicha polarización circular ocurre solo a bajas temperaturas. Sin embargo, el equipo de investigación internacional pudo transmitir magnones a distancias excepcionalmente largas incluso a temperatura ambiente. ¿Pero cómo funcionó eso? “Nos dimos cuenta de que en los antiferromagnetos con un solo plano, dos magnones con polarización lineal pueden superponerse y migrar juntos. Se complementan entre sí para formar una polarización aproximadamente circular ”, explicó el Dr. Romain Lebrun, investigador del laboratorio conjunto CNRS / Thales en París que anteriormente trabajó en Mainz. “La posibilidad de utilizar óxido de hierro a temperatura ambiente lo convierte en un campo de juego ideal para el desarrollo de dispositivos espintrónicos ultrarrápidos basados ​​en aislantes antiferromagnéticos”.

La atenuación extremadamente baja permite una transmisión energéticamente eficiente

Una pregunta importante en el proceso de transferencia de información es qué tan rápido se pierde la información al moverse a través de materiales magnéticos. Esto se puede registrar cuantitativamente con el valor de la amortiguación magnética. “El óxido de hierro examinado tiene una de las atenuaciones magnéticas más bajas que jamás se haya informado en materiales magnéticos”, explicó el profesor Mathias Kläui del Instituto de Física JGU. “Anticipamos que las técnicas de alto campo magnético mostrarán que otros materiales antiferromagnéticos tienen una atenuación igualmente baja, lo que es crucial para el desarrollo de una nueva generación de dispositivos espintrónicos. Buscamos tecnologías magnéticas de baja potencia en una colaboración a largo plazo con nuestros colegas de QuSpin en Noruega y me complace ver que de esta colaboración ha surgido otra pieza de trabajo emocionante «.

Referencia: “Transporte de espín a larga distancia a través de la transición de fase de Morin hasta temperatura ambiente en monocristales de amortiguación ultrabaja del antiferromagnet α-Fe2O3”Por R. Lebrun, A. Ross, O. Gomonay, V. Baltz, U. Ebels, A.-L. Barra, A. Qaiumzadeh, A. Brataas, J. Sinova y M. Kläui, 10 de diciembre de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-20155-7

La investigación se ha publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza y fue financiado por el programa de investigación e innovación de la UE Horizonte 2020, la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y el Consejo Noruego de Investigación.