Hoy en día, las tecnologías electrónicas y magnéticas permiten almacenar y procesar enormes cantidades de información. Sin embargo, la creciente demanda de una mayor capacidad, velocidades de procesamiento más rápidas y una mayor eficiencia energética está impulsando la búsqueda de nuevas tecnologías. La espintrónica es uno de los campos que exploran formas alternativas de almacenar y procesar información aprovechando las propiedades magnéticas de los materiales.

Uno de los enfoques más prometedores se basa en nanodispositivos que utilizan paredes de dominio (PD), pequeñas fronteras entre regiones con diferentes orientaciones magnéticas dentro de un material. Las PD pueden entenderse como señales que se desplazan rápidamente a lo largo de nanohilos magnéticos y cuya posición permite codificar información. Una corriente eléctrica aplicada al nanohilo impulsa las PD a lo largo de este. Cuanto menor sea la corriente necesaria, menor será el consumo energético de un dispositivo. El reto, por tanto, es conseguir un movimiento rápido y fiable de las PD utilizando densidades de corriente muy bajas.

Un nuevo estudio, liderado por investigadores del Sincrotrón ALBA y la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en colaboración con SPINTEC (Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA), ha demostrado que las PD pueden desplazarse de forma controlada y reproducible utilizando corrientes eléctricas extremadamente bajas —más de cinco veces inferiores a las descritas en estudios anteriores— y ha identificado un factor que limita su movimiento a corrientes aún más bajas.

Los investigadores estudiaron nanohilos cilíndricos de permalloy, una aleación de hierro y níquel (Fe₍₂₀₎Ni₍₈₀₎), de aproximadamente 245 nm de diámetro. Mediante la aplicación de pulsos eléctricos cortos, lograron desplazar las PD a lo largo de los nanohilos y estudiar su movimiento a diferentes densidades de corriente.

Lograron controlar el movimiento de las PD con densidades de corriente de tan solo 2.8 × 10¹⁰ A/m², y observaron movimiento incluso con 4.5 × 10⁹ A/m². Sin embargo, al reducir aún más la corriente, algunas PD dejaron de moverse inesperadamente en puntos concretos de los nanohilos. Habían quedado atrapadas. Comprender por qué ocurría esto era importante: si estas tecnologías van a utilizarse para almacenar y procesar información, el movimiento de las PD debe ser fiable y predecible.

El equipo utilizó microscopía magnética de rayos X en la línea de luz MISTRAL del Sincrotrón ALBA para observar el estado magnético de los nanohilos y seguir el movimiento de las PD. Esto les permitió identificar con precisión dónde quedaban atrapadas.

A continuación, los investigadores analizaron estas regiones mediante microscopía electrónica, junto con técnicas avanzadas de espectroscopia y difracción. Estos métodos complementarios proporcionaron información sobre la morfología, la composición química y la estructura cristalográfica de los nanohilos. Al combinar esta información estructural con las imágenes magnéticas obtenidas en ALBA, los investigadores pudieron relacionar el comportamiento de las PD con las propiedades microscópicas del material.

La respuesta no estaba en un cambio significativo de la composición química. Los puntos de anclaje, donde las PD quedaban inesperadamente atrapadas, estaban asociados a pequeñas variaciones locales en la cristalinidad, es decir, diferencias en la forma en que los átomos están dispuestos dentro del material. Estas variaciones microscópicas pueden actuar como obstáculos para el movimiento de las PD. Cuando la corriente es suficientemente alta, una PD puede superarlos; pero a medida que la corriente disminuye, la fuerza que impulsa su movimiento acaba siendo demasiado pequeña y la PD queda atrapada.

Este hallazgo pone de manifiesto un aspecto importante para el desarrollo de dispositivos espintrónicos eficientes de nueva generación: controlar la composición química de un nanohilo no es suficiente. También es necesario diseñar cuidadosamente su estructura cristalina local para garantizar un movimiento fiable y reproducible de las PD con corrientes muy bajas. Este control podría abrir el camino hacia tecnologías más eficientes para almacenar y procesar información, incluyendo nuevos tipos de memoria, dispositivos lógicos y sistemas de computación inspirados en el funcionamiento del cerebro.

Imágenes de XMCD-TXM (microscopía magnética de rayos X) (arriba) y ADF-STEM (microscopía electrónica) (abajo) de las regiones de anclaje (a) 3a y (b) 3b. (c) Mapas elementales de Fe y Ni obtenidos mediante EDS (espectroscopia de rayos X de dispersión de energía), junto con un mapa compuesto de la intensidad de Ni + Fe. (d) Perfil lineal de Ni/Fe a lo largo del nanohilo. (e) Imagen ADF-STEM de menor ángulo que incluye ambos puntos de anclaje. (f) Mapas de orientación cristalina de las regiones 3a y 3b, que muestran las orientaciones en el plano (abajo) y fuera del plano (arriba). La orientación en el plano se define con respecto al eje vertical de la imagen, que es perpendicular al nanohilo.