Un equipo dirigido por Ryo Shimano de la Universidad de Tokio observó directamente cómo el espín de un electrón se invierte dentro de un antiferroimán, un material en el que los espines opuestos se cancelan entre sí. Al capturar este proceso en acción, los investigadores identificaron dos procesos de conmutación distintos. Uno de ellos describe un camino práctico hacia dispositivos lógicos y de memoria magnética no volátil y ultrarrápidos que puedan superar a las tecnologías actuales. Se publican los resultados Materiales de la naturaleza.
Desde tarjetas de papel perforadas y varillas de metal hasta tubos de vacío y transistores, la informática moderna siempre se ha basado en sistemas físicos para representar ceros y unos. A medida que aumenta la demanda de potencia de procesamiento, los investigadores buscan alternativas más rápidas y eficientes. Los antiferroimanes ofrecen una alternativa prometedora. Aunque parecen ser magnéticamente neutrales porque su espín está desequilibrado, su estructura magnética interna aún puede usarse para almacenar información digital de nuevas maneras.
“Durante muchos años”, dice Shimano, “los científicos creían que los antiferroimanes como el Mn3El Sn (tritina manganeso) puede cambiar su magnetización muy rápidamente. Sin embargo, no estaba claro si esta conmutación no volátil podría completarse en unos pocos o decenas de picosegundos o cómo cambió realmente la magnetización durante el proceso de conmutación”.
¿Calor o corriente? Resolviendo el misterio del cambio
Una pregunta central era qué impulsa realmente la inversión del giro. ¿La corriente eléctrica invierte los espines directamente o el calor generado por la corriente provoca el cambio?
Para averiguarlo, el equipo diseñó un experimento que desarrolló el proceso en tiempo real. Hicieron una fina película de Mn.3Sn y envía impulsos eléctricos cortos a través de él. Al mismo tiempo, iluminaron la muestra con destellos de luz ultrarrápida sincronizados con precisión, ajustando el retraso entre el pulso actual y el pulso de luz. Este método les permitió ensamblar una secuencia resuelta en el tiempo que muestra cómo ha evolucionado la magnetización con el tiempo.
“La parte más desafiante del proyecto”, recuerda Shimano, “fue medir los cambios infinitesimales en la señal magnetoóptica. Sin embargo, nos sorprendió cómo finalmente pudimos observar el proceso de conmutación una vez que establecimos el método correcto”.
Se han revelado dos procesos distintos de cambio de espín
El experimento produjo algo sin precedentes: una vista cuadro por cuadro de los cambios del patrón magnético durante la conmutación. Las figuras muestran que el comportamiento depende de la intensidad de la corriente aplicada.
Cuando la corriente era fuerte, la conmutación era impulsada por el efecto de calentamiento. Sin embargo, en condiciones de corriente débil, los espines implican poco o ningún calentamiento. Esta segunda vía es particularmente importante porque ofrece una forma de controlar el estado magnético de forma rápida y eficiente sin desperdiciar energía en forma de calor.
Ese proceso de conmutación sin calor podría servir como base para los dispositivos espintrónicos de próxima generación utilizados en informática, comunicaciones y electrónica avanzada. Para Shimano, los hallazgos apuntan a un nuevo territorio científico que aún espera ser explorado.
Superando los límites de la conmutación de picosegundos
“Nuestra observación actual de conmutación eléctrica en Mn₃Sn con resolución temporal más rápida es de 140 picosegundos, limitada principalmente por lo cortos que se pueden hacer los pulsos de corriente en la configuración de nuestro dispositivo. Sin embargo, nuestros hallazgos sugieren que el material en sí puede cambiar aún más rápido en condiciones adecuadas. En el futuro, nuestro objetivo es hacer que estos pulsos de corriente sean aún más cortos. La estructura del dispositivo se está optimizando”.
Aunque las mediciones actuales están limitadas a 140 picosegundos, el límite de velocidad real del material puede ser incluso menor. Al perfeccionar su equipo experimental y el diseño de su dispositivo, los investigadores esperan ver qué tan rápido puede llegar finalmente el cambio de espín antiferromagnético.
