Avui dia, les tecnologies electròniques i magnètiques permeten emmagatzemar i processar enormes quantitats d’informació. Tanmateix, la demanda creixent d’una major capacitat, velocitats de processament més ràpides i una major eficiència energètica està impulsant la cerca de noves tecnologies. L’espintrònica és un dels camps que exploren formes alternatives d’emmagatzemar i processar informació aprofitant les propietats magnètiques dels materials.

Un dels enfocaments més prometedors es basa en nanodispositius que utilitzen parets de domini (PD), petites fronteres entre regions amb diferents orientacions magnètiques dins d’un material. Les PD es poden entendre com a senyals que es desplacen ràpidament al llarg de nanofils magnètics, i la seva posició als nanofils permet codificar informació. Un corrent elèctric aplicat al nanofil impulsa les PD al llarg d’aquest. Com menor sigui el corrent necessari, menor serà el consum energètic d’un dispositiu. El repte, per tant, és aconseguir un moviment ràpid i fiable de les PD utilitzant densitats de corrent molt baixes.

Un nou estudi, liderat per investigadors del Sincrotró ALBA i de la Universitat Complutense de Madrid (UCM), en col·laboració amb SPINTEC (Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA), ha demostrat que les PD es poden desplaçar de manera controlada i reproduïble mitjançant corrents elèctrics extremadament baixos —més de cinc vegades inferiors als descrits en estudis anteriors— i ha identificat un factor que limita el seu moviment a corrents encara més baixos.

Els investigadors van estudiar nanofils cilíndrics de permalloy, un aliatge de ferro i níquel (Fe₍₂₀₎Ni₍₈₀₎), d’aproximadament 245 nm de diàmetre. Mitjançant l’aplicació de polsos elèctrics curts, van aconseguir desplaçar les PD al llarg dels nanofils i estudiar-ne el moviment a diferents densitats de corrent.

Van aconseguir controlar el moviment de les PD amb densitats de corrent de tan sols 2.8 × 10¹⁰ A/m², i van observar moviment fins i tot amb 4.5 × 10⁹ A/m². Tanmateix, en reduir encara més el corrent, algunes PD van deixar de moure’s inesperadament en punts concrets dels nanofils. Havien quedat atrapades. Entendre per què passava això era important: si aquestes tecnologies s’han d’utilitzar per emmagatzemar i processar informació, el moviment de les PD ha de ser fiable i predictible.

L’equip va utilitzar microscòpia magnètica de raigs X a la línia de llum MISTRAL del Sincrotró ALBA per observar l’estat magnètic dels nanofils i seguir el moviment de les PD. Això els va permetre identificar amb precisió on quedaven atrapades.

A continuació, els investigadors van analitzar aquestes regions mitjançant microscòpia electrònica, juntament amb tècniques avançades d’espectroscòpia i difracció. Aquests mètodes complementaris van proporcionar informació sobre la morfologia, la composició química i l’estructura cristal·logràfica dels nanofils. En combinar aquesta informació estructural amb les imatges magnètiques obtingudes a ALBA, els investigadors van poder relacionar el comportament de les PD amb les propietats microscòpiques del material.

La resposta no es trobava en un canvi significatiu de la composició química. Els punts d’ancoratge, on les PD quedaven inesperadament atrapades, estaven associats a petites variacions locals en la cristal·linitat, és a dir, diferències en la manera com els àtoms estan disposats dins del material. Aquestes variacions microscòpiques poden actuar com a obstacles per al moviment de les PD. Quan el corrent és prou alt, una PD els pot superar; però a mesura que el corrent disminueix, la força que impulsa el seu moviment acaba sent massa petita i la PD queda atrapada.

Aquest descobriment posa de manifest un aspecte important per al desenvolupament de dispositius espintrònics eficients de nova generació: controlar la composició química d’un nanofil no és suficient. També cal dissenyar acuradament la seva estructura cristal·lina local per garantir un moviment fiable i reproduïble de les PD amb corrents molt baixos. Aquest control podria obrir el camí cap a tecnologies més eficients per emmagatzemar i processar informació, incloent-hi nous tipus de memòria, dispositius lògics i sistemes de computació inspirats en el funcionament del cervell.

Imatges de XMCD-TXM (microscòpia magnètica de raigs X) (a dalt) i ADF-STEM (microscòpia electrònica) (a baix) de les regions d’ancoratge (a) 3a i (b) 3b. (c) Mapes elementals de Fe i Ni obtinguts mitjançant EDS (espectroscòpia de raigs X de dispersió d’energia), juntament amb un mapa compost de la intensitat de Ni + Fe. (d) Perfil lineal de Ni/Fe al llarg del nanofil. (e) Imatge ADF-STEM amb un angle més baix que inclou els dos punts d’ancoratge. (f) Mapes d’orientació cristal·lina de les regions 3a i 3b, que mostren les orientacions en el pla (a baix) i fora del pla (a dalt). L’orientació en el pla es defineix respecte de l’eix vertical de la imatge, que és perpendicular al nanofil.