Un equip de recerca ha proposat i demostrat per primera vegada un nou concepte per a la transferència de dades magnètiques en tres dimensions basat en efectes geomètrics, que permet la interconnexió de plans espintrònics. El dispositiu està basat en una nanoestructura magnètica que promou el moviment espontani de bits, sense necessitat d'aplicar cap estímul extern.

El treball té aplicacions prometedores al camp de la espintrònica. Experiments duts a terme a la línia de llum CIRCE d'ALBA van ser claus per caracteritzar les estructures magnètiques i confirmar-ne el funcionament.

El 2025 s'estima que les tecnologies de la informació seran responsables al voltant del 20% del consum d'electricitat a tot el món, fet que requereix el desenvolupament de nous tipus de dispositius nanoelectrònics que operin de forma més eficient. L'espintrònica és una branca emergent de la nanoelectrònica que utilitza no només la càrrega de l'electró, sinó també el moment angular intrínsec (el seu espí). Gràcies al seu caràcter no volàtil, compatibilitat amb els dispositius semiconductors actuals, i les seves altes prestacions per a escriptura i lectura de dades, els circuits espintrònics tenen un gran potencial per solucionar alguns d'aquests desafiaments futurs.

No obstant això, a mesura que els dispositius nanoelectrònics avancen cap a un futur on es necessiten densitats ultra altes d'emmagatzematge d'informació, es fan necessaris nous mecanismes per interconnectar de manera eficient circuits localitzats en múltiples plans, cosa que és extremadament complexa fent servir els mètodes actuals.

En un treball publicat recentment a la revista ACS Nano, un equip internacional liderat per Amalio Fernández-Pacheco, investigador del CSIC a l'Institut de Nanociència i Materials d'Aragó, INMA (institut mixt CSIC-Universidad de Zaragoza) i el seu estudiant de doctorat Luka Skoric, del Laboratori Cavendishde la Universitat de Cambridge al Regne Unit, ha proposat i demostrat per primera vegada un nou concepte per a la transferència de dades magnètiques en tres dimensions basat en efectes geomètrics, que permet la interconnexió de plans espintrònics. A diferència dels dispositius espintrònics tradicionals que usen polsos de corrent per moure bits magnètics, aquest mecanisme fa servir alts gradients de gruix que donen com a resultat el moviment espontani de bits, sense la necessitat d'aplicar cap estímul extern. Les dades magnètiques en aquests dispositius vénen codificades en forma de parets de domini magnètiques que es mouen de forma espontània, és a dir sense cap mena d'estímul extern, al llarg de nanointerconnectors amb forma d'espiral.

"Aquest treball proposa i demostra per primer cop un nou concepte per a la transferència de dades magnètiques en tres dimensions basat en efectes geomètrics", comenta Luka Skoric de la Universitat de Cambridge i un dels autors principals de la publicació. "Fins ara, el moviment de bits magnètics en dispositius espintrònics com la memòria racetrack proposada per IBM, es basa en l'aplicació d'estímuls externs, normalment polsos de corrent elèctric. La possibilitat d'escalar aquests dispositius racetrack a tres dimensions podria suposar una revolució per a les tecnologies futures, però aquest escalat presenta grans desafiaments, des de la fabricació a la dissipació de calor durant el seu funcionament. El moviment espontani de parets de domini que demostrem en aquest treball constitueix una forma robusta i flexible de moure bits en 3D".

Tal com indica Amalio Fernández-Pacheco, l'autor principal sènior de la publicació, "Es pot pensar en aquest efecte com si fos un nano-ascensor magnètic que transmet informació entre plànols espintrònics. Quan les parets de domini s'introdueixen als interconnectors 3D, aquests es mouen per si mateixos sense necessitat d'aplicar cap mena de senyal extern, tal com es requeria fins ara, és a dir, sense camps magnètics, voltatges o corrents elèctrics. La geometria dels dispositius ho fa tot".

Els dispositius d'aquest treball científic es van fabricar a la Universitat de Cambridge mitjançant una combinació d'impressió 3D a nanoescala d'última generació i d'evaporació tèrmica, i consisteixen en estructures en forma d'espiral en 3D de diverses micres de longitud i algunes desenes de nanòmetres de diàmetre. Després de la seva fabricació, els dispositius es van investigar al Sincrotró ALBA i al Sincrotró SOLEIL (França), on es van emprar tècniques de microscòpia de raigs X per observar directament el moviment espontani de les parets de domini. Aquests estudis experimentals es van complementar amb simulacions micromagnètiques desenvolupades a la Universitat de Viena.

El moviment espontani de parets de domini magnètiques s'havia vist prèviament en dispositius espintrònics 2D gràcies a diversos mecanismes, des de gradients d'amplada a interaccions dipolars. En aquest treball, per primera vegada i gràcies a la impressió 3D a nanoescala d'última generació, ha estat possible aprofitar els efectes geomètrics 3D per a aquest propòsit. Aquest treball obre una nova ruta per a la integració de dispositius espintrònics 3D en microxips, a més de noves vies per al desenvolupament de dispositius neuromòrfics amb ultra-alta interconnectivitat.

Experiments al Sincrotró ALBA

Les tècniques de radiació de sincrotró van ser clau a l'hora de caracteritzar les estructures magnètiques i confirmar-ne el funcionament, ja que les tècniques de caracterització habituals no són capaces lidiar amb la complicada geometria en 3D. En concret, a partir de l'ombra dels objectes en forma d'espiral es van obtenir imatges de Microscòpia Electrònica de Fotoemissió amb contrast de dicroisme magnètic circular de raigs X (XMCD-PEEM, per les sigles en anglès) que van donar als investigadors la possibilitat monitorar la localització de les parets de domini magnètic durant els experiments. A més, per dur a terme les mesures, va caldre l'ús d'un porta-mostres PEEM singular amb un imant vectorial en dues dimensions dissenyat a ALBA per poder nuclear i alliberar la paret de domini abans del moviment espontani.

"Estem molt satisfets, no només per aquest fascinant descobriment científic, sinó a més pel fet de veure com els nostres esforços a preparar la millor instrumentació possible han donat bons resultats als nostres usuaris." Comenta Michael Foerster, científic de l'estació experimental PEEM a la línia de llum CIRCE d'ALBA, "i volem aprofitar aquesta oportunitat per agrair a tot el personal d'ALBA que ens dóna suport dia a dia, tant a nosaltres com als usuaris. Aquests desenvolupaments van ser un treball conjunt de diverses divisions i van involucrar moltes persones: tècnics, enginyers i experts en disseny d'imants."

L'equip internacional responsable d'aquest treball està format per membres de la Universitat de Cambridge i la Universitat de Glasgow (Regne Unit), el Consell Superior d'Investigacions Científiques-CSIC, l'Institut Max Plank de química física de sòlids a Dresden (Alemanya), la Universitat de Viena (Àustria), la Universitat d'Oviedo i la Universitat de Saragossa, i el Sincrotró SOLEIL (França) i el Sincrotró ALBA.

Figura. Un nanoascensor d'informació magnètica per a la connexió de plans espintrònics. / Fotografia: Amalio Fernández-Pacheco & Luka Skoric

Enllaç a la notícia original