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Nuevo avance hará posible el encendido instantáneo de PCs

Nuevo avance hará posible el encendido instantáneo de las computadoras

18 de diciembre 2014

Un equipo de investigadores dirigido por el profesor asociado postdoctoral John Heron, Darrell Schlom, profesor de Química Industrial en el Departamento de Ciencia e Ingenieria de los Materiales, Dan Ralph, profesor de Física en la Facultad de Artes y Ciencias, de la Universidad de Cornell, Ithaca, NY, y Ramamoorthy Ramesh, Director asociado del Lawrence Berkeley National Laboratory, California, EE. UU., ha desarrollado un dispositivo de memoria electromagnética —a temperatura ambiente, equivalente a un bit de cómputo— que exhibe el santo grial de la memoria no volátil de próxima generación: la conmutabilidad magnética, en dos pasos, sin nada más que un campo eléctrico, señalando un nuevo camino en tecnología magnetoelectrónica (spintrónica) y, formas más pequeñas, rápidas y baratas de almacenamiento y procesamiento de datos.

Hoy en día para codificar los datos, la tecnología de memoria de computadora utiliza corriente eléctrica —un factor limitante en cuanto a la fiabilidad, la contractibilidad y la significativa fuente de consumo de energía. Si en cambio, los datos se pudieran codificar sin corriente —por ejemplo, mediante un campo eléctrico aplicado a través de un aislante— entonces se requeriría mucho menor consumo de energía, logrando, por ejemplo, que el encendido instantáneo de las computadoras sea una realidad omnipresente.

"La ventaja es el bajo consumo de energía, ya que requiere un voltaje bajo, sin corriente, para activarlo. Los dispositivos que utilizan corriente eléctrica consumen más energía y disipan una cantidad significativa de ésta en forma de calor. Esto es lo que calienta la computadora y agota las baterías", dice el profesor Heron.

Nuevo avance hará posible el encendido instantáneo de PCs

Los materiales funcionales son un pilar esencial de nuestra sociedad. En ellos descansa buena parte de nuestras tecnologías y, tienen un impacto directo en nuestra manera de obtener y usar energía, en nuestra salud y, en las tecnologías informáticas y de comunicación. Por todo ello, el desarrollo y aplicación de nuevos materiales funcionales es un aspecto clave para afrontar los retos del siglo XXI, tanto desde un punto de vista tecnológico y ambiental como socio-económico, tal es el caso de las propiedades funcionales de los materiales multiferroicos en el llamado efecto magnetoeléctrico, que ofrece un amplio rango de aplicaciones prácticas de alto impacto tecnológico, tal como el almacenamiento de datos mediante escritura eléctrica y lectura magnética, combinando así lo mejor de las memorias ferroeléctricas y magnéticas. El término multiferroico se refiere a materiales que poseen al menos dos de las tres propiedades denominadas “ferroicas” al mismo tiempo: ferromagnetismo, ferroelectricidad y ferroelasticidad (aunque la tendencia actual es excluir el requisito de la ferroelasticidad).

Los investigadores han desarrollado el dispositivo utilizando un compuesto llamado ferrita de bismuto (BiFeO3) , un favorito entre los materiales usados por los expertos, debido a una propiedad espectacular y rara: en tanto que es ferromagnética —como el imán de una nevera que tiene su propio campo local magnético permanente—, también es ferroeléctrica, esto significa que siempre está polarizada eléctricamente, y esta polarización puede ser cambiada por la aplicación de un campo eléctrico. Estos materiales tienen propiedades llamadas ferroicas, y son típicamente uno u otro, rara vez ambos, los mecanismos que impulsan los dos fenómenos generalmente contienden entre sí.

Debido a que la ferrita de bismuto es un material multiferroico, se puede utilizar para los dispositivos de memoria no volátil con geometrías relativamente simples. La mejor parte es que funciona a temperatura ambiente. Los multiferroicos son materiales en los que pueden coexistir simultáneamente combinaciones únicas de propiedades eléctricas y magnéticas. Son vistos como potenciales piedras angulares en los futuros dispositivos de almacenamiento de datos y de procesamiento, debido a que su magnetismo puede ser controlado por un campo eléctrico en lugar de una corriente eléctrica.

campo electrico

Hoy en día existe un gran interés científico en los compuestos multiferroicos, debido a que este tipo de aleación permite simultáneamente la polarización ferroeléctrica y ferromagnética, y un acoplamiento entre las dos, el efecto magnetoeléctrico. La ferroelectricidad es la capacidad de algunos materiales para guardar información en su estructura cristalina, sin necesidad de conectarlos a una fuente de energía como la corriente eléctrica o las baterías. Los datos se almacenan por la polarización eléctrica, que puede ser activada externamente por un voltaje y persistir aunque éste sea retirado, en tanto, el ferromagnetismo representa un comportamiento similar de polarización magnética y dipolos magnéticos; siendo la ferroelectricidad y el ferromagnetismo, propiedades de diferentes origenes.

En la investigación se aplicó un campo eléctrico a películas de ferrita de bismuto (BiFeO3), en perpendicular a la orientación de la muestra; se descubrió un proceso de conmutación en dos pasos, basado en la polarización ferroeléctrica y la rotación del octaedro de oxígeno.

"El proceso de conmutación de dos pasos es clave, ya que permite que la rotación octaédrica se acople a la polarización. La rotación del octaedro de oxígeno también es crítica porque es el mecanismo responsable del ferromagnetismo en la ferrita de bismuto. También nos permite acoplar ferrita de bismuto a un buen material ferromagnético, tal como el cobalto-hierro, para su uso en un dispositivo espintrónico", dijo el profesor Heron.

El dispositivo multiferroico parece requerir un orden de menor magnitud de energía que su principal competidor, un fenómeno llamado par de transferencia de espín, que asimismo estudia el profesor Ralph, y que aplica una física diferente para la conmutación magnética. El par de transferencia de espín ya es utilizada comercialmente aunque sólamente en aplicaciones limitadas.

Se incluyen como colaboradores de la investigación, la Universidad de Conneticut, la Universidad de California, en EE. UU, la Universidad de Tsinghua, en Beijing, China, y el Swiss Federal Institute of Technology, en Zurich, Suiza. La investigación fue financiada por la National Science Foundation y el Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, de la que los profesores Ralph y Schlom son miembros. El estudio se ha publicado el 17 de diciembre en la revista científica Nature.


Cornell University http://mediarelations.cornell.edu/2014/12/18/instant-start-computers-possible-with-new-breakthrough/
Berkeley Lab http://newscenter.lbl.gov/2014/12/17/switching-to-spintronics/
Nature Journal http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7531/full/nature14004.html

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