Memoria de computadora: ¡Más rápida y compacta que nunca!

Durante décadas, los científicos han estado estudiando un grupo de materiales inusuales llamados multiferróicos que podrían ser útiles para una variedad de aplicaciones, incluida la memoria de las computadoras, los sensores químicos y las computadoras cuánticas. En un estudio publicado en Nature, los investigadores de la Universidad de Texas en Austin y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) demostraron que el material multiferróico en capas yoduro de níquel (NiI₂) puede ser el mejor candidato hasta ahora para dispositivos que son extremadamente rápidos y compactos.

Los multiferróicos tienen una propiedad especial llamada acoplamiento magnetoeléctrico, lo que significa que puede manipular las propiedades magnéticas del material con un campo eléctrico y viceversa, las propiedades eléctricas con campos magnéticos. Los investigadores encontraron que NiI₂ tiene un mayor acoplamiento magnetoeléctrico que cualquier otro material conocido de su tipo, lo que lo convierte en un candidato principal para los avances tecnológicos.

“Revelar estos efectos a escala de escamas de yoduro de níquel atómicamente delgadas fue un desafío formidable”, dijo Frank Gao, un becario postdoctoral en física en UT y coautor principal del artículo, “pero nuestro éxito representa un avance significativo en el campo de los multiferróicos”.

“Nuestro descubrimiento allana el camino para dispositivos magnetoeléctricos extremadamente rápidos y energéticamente eficientes, incluidas las memorias magnéticas”, agregó la estudiante graduada Xinyue Peng, la otra coautora principal del proyecto.

Los campos eléctricos y magnéticos son fundamentales para nuestra comprensión del mundo y para las tecnologías modernas. Dentro de un material, las cargas eléctricas y los momentos magnéticos atómicos pueden ordenarse de tal manera que sus propiedades se sumen, formando una polarización eléctrica o una magnetización. Estos materiales se conocen como ferroeléctricos o ferromagnéticos, dependiendo de cuál de estas cantidades esté en un estado ordenado.

Sin embargo, en los materiales exóticos que son multiferróicos, tales órdenes eléctricos y magnéticos coexisten. Las órdenes magnéticas y eléctricas pueden entrelazarse de tal manera que un cambio en una causa un cambio en la otra. Esta propiedad, conocida como acoplamiento magnetoeléctrico, hace que estos materiales sean candidatos atractivos para dispositivos más rápidos, más pequeños y más eficientes. Para que estos dispositivos funcionen de manera efectiva, es importante encontrar materiales con un acoplamiento magnetoeléctrico particularmente fuerte, como el equipo de investigación describe que lo hace con NiI₂ en su estudio.

Los investigadores lograron esto excitando el material con pulsos láser ultracortos en el rango de femtosegundos (una millonésima de billonésima de segundo) y luego rastreando los cambios resultantes en los órdenes eléctricos y magnéticos del material y el acoplamiento magnetoeléctrico a través de su impacto en propiedades ópticas específicas.

Para comprender por qué el acoplamiento magnetoeléctrico es mucho más fuerte en NiI₂ que en materiales similares, el equipo realizó extensos cálculos.

“Dos factores juegan un papel importante aquí”, dijo el coautor Emil Viñas Boström del MPSD. “Uno de ellos es el fuerte acoplamiento entre el espín de los electrones y el movimiento orbital en los átomos de yodo; ese es un efecto relativista conocido como acoplamiento espín-órbita. El segundo factor es la forma particular del orden magnético en el yoduro de níquel, conocido como espiral de espín o hélice de espín. Este ordenamiento es crucial tanto para iniciar el orden ferroeléctrico como para la fuerza del acoplamiento magnetoeléctrico”.

Los materiales como NiI₂ con un gran acoplamiento magnetoeléctrico tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, según los investigadores. Estos incluyen memoria de computadora magnética que es compacta, energéticamente eficiente y se puede almacenar y recuperar mucho más rápido que la memoria existente; interconexiones en plataformas de computación cuántica; y sensores químicos que pueden garantizar el control de calidad y la seguridad de los medicamentos en las industrias química y farmacéutica.

Los investigadores esperan que estas perspectivas innovadoras se puedan utilizar para identificar otros materiales con propiedades magnetoeléctricas similares y que otras técnicas de ingeniería de materiales podrían posiblemente llevar a una mayor mejora del acoplamiento magnetoeléctrico en NiI₂.

Este trabajo fue concebido y supervisado por Edoardo Baldini, profesor asistente de física en UT, y Angel Rubio, director del MPSD.

Los otros autores del artículo de UT son Dong Seob Kim y Xiaoqin Li. Otros autores del MPSD son Xinle Cheng y Peizhe Tang. Los autores adicionales son Ravish K. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar y Shang-Fan Lee de Academia Sinica; Michael A. Sentef de la Universidad de Bremen; y Takashi Kurumaji del Instituto de Tecnología de California.

La financiación para esta investigación fue proporcionada por la Fundación Robert A. Welch, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., el programa de investigación e innovación Horizonte Europa de la Unión Europea, el Cluster de Excelencia “CUI: Imagen Avanzada de la Materia”, Grupos Consolidados, el Centro Max Planck-Nueva York para Fenómenos Cuánticos Fuera del Equilibrio, la Fundación Simons y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán.