Una nueva forma de leer datos en antiferroimanes desbloquea su uso como memoria de computadora

14 de agosto de 2023

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por la Universidad Tecnológica de Nanyang, Universidad Tecnológica de Nanyang

Los científicos dirigidos por investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur), han logrado un avance significativo en el desarrollo de materiales alternativos para los chips de memoria de alta velocidad que permiten a las computadoras acceder a la información rápidamente y que evitan las limitaciones de los materiales existentes.

Han descubierto una forma que les permite dar sentido a datos que antes eran difíciles de leer almacenados en estos materiales alternativos, conocidos como antiferroimanes.

Los investigadores consideran que los antiferroimanes son materiales atractivos para fabricar chips de memoria de computadora porque son potencialmente más eficientes energéticamente que los tradicionales hechos de silicio. Los chips de memoria fabricados con antiferroimanes no están sujetos a las limitaciones de tamaño y velocidad ni a los problemas de corrupción inherentes a los chips fabricados con ciertos materiales magnéticos.

Los datos de la computadora se almacenan como código que comprende una cadena de unos y ceros. Actualmente, existen métodos para "escribir" datos en antiferroimanes, configurándolos para que puedan representar el número 1 o 0.

Sin embargo, "leer" estos datos de los antiferroimanes ha resultado difícil para los investigadores, ya que en el pasado no existían métodos prácticos que pudieran determinar con qué número estaban codificados los materiales.

Ahora, los científicos dirigidos por el profesor asociado Gao Weibo de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (SPMS) de NTU han encontrado una solución.

Los resultados de sus experimentos, publicados en línea en Nature en junio de 2023, mostraron que a temperaturas ultrabajas cercanas a la frialdad del espacio exterior, si pasaban una corriente a través de antiferromagnetos, se medía un voltaje único a través de ellos.

Dependiendo de si este voltaje era positivo o negativo, los científicos pudieron determinar si los antiferromagnetos estaban codificados como 1 o 0. Esto permite leer los datos almacenados en los materiales.

"Nuestro descubrimiento proporciona una forma sencilla de leer los datos almacenados en antiferroimanes al poder distinguir los dos estados que pueden adoptar los materiales", dijo el profesor asociado Gao. "Los hallazgos hacen avanzar la investigación sobre el uso de antiferromagnetos en la memoria de las computadoras en el futuro".

Los chips para la memoria de la computadora, también llamados memoria de acceso aleatorio (RAM), se utilizan para acceder rápidamente a datos, como por ejemplo para abrir software y editar documentos en las computadoras.

Se espera que los chips de memoria fabricados con antiferromagnetos almacenen y cambien datos más rápidamente que los fabricados con materiales magnéticos llamados ferroimanes porque pueden cambiar entre los estados 1 y 0 aproximadamente 100 veces más rápido. Esto es útil para tareas informáticas que consumen muchos recursos.

Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón y la Universidad Chongqing de China también contribuyeron al estudio dirigido por la NTU.

Los resultados de la investigación ejemplifican un enfoque clave del plan estratégico NTU 2025 en la investigación interdisciplinaria con un impacto intelectual y social significativo.

La memoria de las computadoras tradicionalmente comprende microchips de silicio. Pero en las últimas décadas, los investigadores han estado estudiando el uso de materiales magnéticos llamados ferroimanes, hechos de aleaciones de cobalto y hierro, para chips de memoria, y que ahora se utilizan en inteligencia artificial y aplicaciones espaciales. Esto se debe en parte a que los chips ferromagnéticos son más eficientes energéticamente que los de silicio.

Los chips de memoria utilizan las propiedades internas de los ferroimanes para almacenar datos. Los ferroimanes tienen "miniimanes" debido al comportamiento de sus electrones. Cuando estos mini imanes se alinean de una manera específica, los materiales estarán en un estado que puede representar 1. Orientar los mini imanes de una manera diferente da como resultado un estado que representa 0.

Sin embargo, si los chips ferromagnéticos se exponen a campos magnéticos, como los de líneas eléctricas o equipos industriales con electroimanes, estas propiedades intrínsecas (la alineación de los miniimanes) pueden alterarse, corrompiendo o destruyendo así los datos almacenados.

Si bien este problema se puede resolver protegiendo los chips, los ferroimanes también producen campos magnéticos que pueden alterar las propiedades internas de otros ferroimanes cercanos.

Los antiferroimanes pueden superar estos problemas ya que no producen campos magnéticos porque sus propiedades internas son ligeramente diferentes a las de los ferromagnetos, debido a cómo están alineados sus miniimanes.

Esto también significa que no se verán perturbados en presencia de otros imanes y que se pueden empaquetar más antiferromagnetos en la misma cantidad de espacio que ferromagnetos, aumentando así la capacidad de memoria.

Aún así, a pesar de encontrar formas de configurar los antiferroimanes para codificar datos como 1 y 0, leer esta información ha sido difícil ya que no existían métodos prácticos que pudieran distinguir en qué estado se encontraban los materiales.

Mientras estudiaba las propiedades físicas de un nuevo material antiferromagnético llamado telururo de manganeso y bismuto, el equipo del profesor asociado Gao se topó con una observación que resolvió el problema de lectura de datos.

En sus experimentos, los científicos hicieron pasar corriente alterna a través de un dispositivo muy pequeño del tamaño de una gota de lluvia, compuesto por escamas de cristal de telururo de manganeso y bismuto, a temperaturas extremadamente bajas de alrededor de 5° Kelvin o -268° Celsius, lo que se aproxima a la frialdad del espacio exterior.

Sorprendentemente, los investigadores encontraron una señal de voltaje única a través de los cristales con una frecuencia el doble que la de la corriente alterna. Por ejemplo, pasar una corriente de 10 microamperios a una frecuencia de 100 hercios produjo un voltaje de 0,2 milivoltios con una frecuencia de 200 hercios. Los científicos esperaban que las frecuencias del voltaje y la corriente fueran las mismas.

También descubrieron que dependiendo de cómo estuviera configurado el telururo de bismuto de manganeso antiferromagnético, el signo del voltaje cambiaría.

Si el voltaje era positivo, significaba que el antiferroimán estaba en un estado que representaba 0. Si el voltaje era negativo, el material estaba en un estado que representaba 1. Esta observación resuelve el problema de no poder leer fácilmente la información almacenada en los antiferroimanes.

Los científicos creen que otros antiferroimanes mostrarán un comportamiento similar y su próximo paso será probar materiales que puedan codificar datos a temperatura ambiente.

Los investigadores dijeron que el voltaje único surge de las propiedades electrónicas de los cristales de telururo de bismuto de manganeso, llamado métrica cuántica. Estas propiedades no se habían observado experimentalmente hasta hace poco. Este último hallazgo señala el camino hacia futuras investigaciones sobre sistemas en los que tales propiedades importan y que se explican mediante la mecánica cuántica, el estudio de cómo se comportan la materia y la energía a nivel atómico y subatómico.

Uno de los revisores independientes y anónimos del artículo escribió que los experimentos del grupo "descubren el fenómeno de transporte causado por la métrica cuántica, que es importante para la física topológica", y agregó que "los resultados experimentales son sólidos y convincentes".

Los científicos dirigidos por NTU también descubrieron que además del voltaje inesperado que detectaron, había otro voltaje que surgía de una corriente continua inducida por la corriente alterna que pasaba a través de los cristales de telururo de manganeso y bismuto. Por ejemplo, descubrieron que una corriente alterna de 10 microamperios produciría un voltaje de 0,3 milivoltios vinculado a la corriente continua.

El descubrimiento sugiere que la energía inalámbrica, como la de Wi-Fi y las señales móviles, podría hacer que los antiferroimanes produzcan electricidad que algún día podría utilizarse para alimentar dispositivos electrónicos portátiles.

El profesor asociado Gao dijo que su equipo está planeando realizar más investigaciones para aumentar la cantidad de energía que podría recolectarse de esta manera.

Más información: Naizhou Wang et al, Transporte no lineal inducido por métrica cuántica en un antiferroimán topológico, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06363-3

Información de la revista:Naturaleza

Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Nanyang