Acercándose al régimen de terahercios: los imanes cuánticos a temperatura ambiente cambian de estado billones de veces por segundo

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Imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de la unión antiferromagnética que muestra capas de diferentes materiales (izquierda). Diagrama que muestra las propiedades magnéticas de los materiales (derecha). CRÉDITO ©2023 Nakatsuji et al.

Abstracto:
Una clase de dispositivos de memoria no volátil, llamada MRAM, basada en materiales magnéticos cuánticos, puede ofrecer un rendimiento mil veces superior al de los dispositivos de memoria de última generación actuales. Se demostró previamente que los materiales conocidos como antiferromagnetos almacenan estados de memoria estables, pero eran difíciles de leer. Este nuevo estudio allana una forma eficiente de leer los estados de la memoria, con el potencial de hacerlo increíblemente rápido también.

Acercándose al régimen de terahercios: los imanes cuánticos a temperatura ambiente cambian de estado billones de veces por segundo

Tokio, Japón | Publicado el 20 de enero de 2023

Probablemente puedas parpadear unas cuatro veces por segundo. Se podría decir que esta frecuencia de parpadeo es de 4 hercios (ciclos por segundo). Imagínese tratar de parpadear mil millones de veces por segundo, o a 1 gigahercio, sería físicamente imposible para un ser humano. Pero este es el orden de magnitud actual en el que los dispositivos digitales de gama alta contemporáneos, como la memoria magnética, cambian de estado a medida que se realizan las operaciones. Y mucha gente desea empujar el límite mil veces más allá, al régimen de un billón de veces por segundo, o terahercio.

La barrera para la realización de dispositivos de memoria más rápidos pueden ser los materiales utilizados. Los chips MRAM de alta velocidad actuales, que aún no son tan comunes como para aparecer en la computadora de su hogar, utilizan materiales magnéticos o ferromagnéticos típicos. Estos se leen utilizando una técnica llamada magnetorresistencia de efecto túnel. Esto requiere que los componentes magnéticos del material ferromagnético estén alineados en disposiciones paralelas. Sin embargo, esta disposición crea un fuerte campo magnético que limita la velocidad a la que se puede leer o escribir en la memoria.

“Hemos logrado un avance experimental que supera esta limitación, y es gracias a un tipo diferente de material, los antiferromagnetos”, dijo el profesor Satoru Nakatsuji del Departamento de Física de la Universidad de Tokio. “Los antiferromagnetos se diferencian de los imanes típicos en muchos aspectos, pero en particular, podemos disponerlos en formas distintas a las líneas paralelas. Esto significa que podemos negar el campo magnético que resultaría de arreglos paralelos. Se cree que la magnetización de los ferroimanes es necesaria para que la magnetorresistencia de túnel lea de la memoria. Sorprendentemente, sin embargo, descubrimos que también es posible una clase especial de antiferromagnetos sin magnetización y, con suerte, puede funcionar a velocidades muy altas”.

Nakatsuji y su equipo creen que se pueden lograr velocidades de cambio en el rango de terahercios, y que esto también es posible a temperatura ambiente, mientras que los intentos anteriores requerían temperaturas mucho más frías y no arrojaron resultados tan prometedores. Sin embargo, para mejorar su idea, el equipo necesita refinar sus dispositivos, y mejorar la forma en que los fabrica es clave.

“Aunque los componentes atómicos de nuestros materiales son bastante familiares (manganeso, magnesio, estaño, oxígeno, etc.), la forma en que los combinamos para formar un componente de memoria utilizable es novedosa y desconocida”, dijo el investigador Xianzhe Chen. “Cultivamos cristales en el vacío, en capas increíblemente finas usando dos procesos llamados epitaxia de haz molecular y pulverización catódica de magnetrón. Cuanto mayor sea el vacío, más puras serán las muestras que podemos cultivar. Es un procedimiento extremadamente desafiante y si lo mejoramos, nos facilitará la vida y también produciremos dispositivos más efectivos”.

Estos dispositivos de memoria antiferromagnéticos explotan un fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento o interacción a distancia. Pero a pesar de ello, esta investigación no está directamente relacionada con el cada vez más famoso campo de la computación cuántica. Sin embargo, los investigadores sugieren que desarrollos como este podrían ser útiles o incluso esenciales para construir un puente entre el paradigma actual de la computación electrónica y el campo emergente de las computadoras cuánticas.

Fondos:
Este trabajo fue apoyado parcialmente por el Programa JST-Mirai (núm. JPMJMI20A1), el Programa ST-CREST (núms. JPMJCR18T3, JST-PRESTO y JPMJPR20L7) y JSPS KAKENHI (núms. 21H04437 y 22H00290).

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