La espintrónica (dispositivos que utilizan magnetismo microscópico en combinación con corriente eléctrica) podría conducir a tecnologías informáticas tan rápidas como la electrónica convencional pero mucho más eficientes energéticamente. A medida que se desarrollan y estudian estos dispositivos, una cuestión importante sin resolver es cómo el funcionamiento del dispositivo se ve afectado por el calentamiento.
Una nueva técnica experimental, publicada por investigadores de la Universidad de Illinois en Illinois Urbana-Champaign en la revista APL Materials, mide el calentamiento directamente en dispositivos espintrónicos, lo que permite comparaciones directas con otros efectos. Los investigadores dicen que esta técnica se puede utilizar para seleccionar materiales espintrónicos cuyo comportamiento magnético se vea mínimamente afectado por el calor, lo que lleva a dispositivos más rápidos.
“Los dispositivos espintrónicos se basan en la capacidad de cambiar la magnetización utilizando una corriente eléctrica, pero hay dos explicaciones posibles para esto: la interacción electromagnética con la corriente o el aumento de temperatura causado por la corriente”, dijo Axel Hoffmann, líder del proyecto y profesor de Illinois. ciencia e ingeniería de materiales. “Si desea optimizar el rendimiento del dispositivo, necesita comprender la física subyacente. Eso es lo que nuestro enfoque nos ayudó a lograr”.
A diferencia de la electrónica, que utiliza señales eléctricas para almacenar información y realizar cálculos, la espintrónica explota una propiedad fundamental de los electrones llamada espín que se traduce en un comportamiento magnético microscópico. Debido a la naturaleza magnética de su funcionamiento, estos dispositivos tienen el potencial de consumir mucha menos energía que sus homólogos electrónicos. Incluso se ha sugerido que la espintrónica controlada por electrónica rápida será lo suficientemente eficiente energéticamente como para igualar la velocidad de las computadoras convencionales. Según Hoffman, “es como obtener lo mejor de ambos mundos”.
El desafío ha sido encontrar materiales adecuados para tales dispositivos. Los antiferroimanes han llamado la atención por su disposición periódica de espines opuestos y su sensibilidad limitada a los dispositivos vecinos. Para utilizar estos materiales para la memoria y la informática, la estructura de espín debe controlarse con una corriente eléctrica. Las corrientes necesarias para hacer esto son tan grandes que la temperatura del dispositivo aumenta hasta el punto en que los efectos térmicos afectan la formación de espines además de los efectos electromagnéticos.
“Existe un debate en curso sobre si la corriente es directamente responsable del cambio de espín o si el efecto de calentamiento resultante es dominante”, dijo Hoffman. “Si se trata de un efecto impulsado por la corriente, es muy fácil lograr que el efecto sea muy rápido. Si se trata de un efecto impulsado térmicamente, la conductividad térmica y la relajación térmica son importantes y pueden limitar la rapidez con la que se puede operar el dispositivo. Por lo tanto, el efecto adecuado El funcionamiento del dispositivo depende de la física responsable.”
Los intentos anteriores de dilucidar la importancia de los efectos provocados por la corriente y la temperatura se han visto obstaculizados por la incapacidad de medir directamente los efectos del calentamiento en dispositivos de pequeña escala. Myung-woo Yu, investigador postdoctoral del grupo de Hoffman, demostró un método experimental para inferir efectos térmicos a partir de cómo un dispositivo calienta capas con diferentes conductividades térmicas.
“Preparamos muestras antiferromagnéticas sobre sustratos de dióxido de silicio de diferentes espesores”, dijo Yu. “La conductividad térmica del sustrato disminuye al aumentar el espesor, lo que significa que los antiferroimanes tienen temperaturas más altas en muestras más gruesas cuando se aplica la misma corriente eléctrica. Si el calentamiento del dispositivo es importante para los cambios en la estructura del espín, los dispositivos diferirán en diferentes sustratos”.
Los investigadores descubrieron que el calentamiento tenía un efecto significativo sobre el antiferroimán que estudiaron, Mn.3Sn. Sin embargo, señalan que se están considerando muchos otros antiferroimanes para la espintrónica y que esta técnica proporciona un marco para comparar sistemáticamente el papel del calentamiento con los efectos de la corriente eléctrica.
“Ahora tenemos una técnica precisa para evaluar el efecto del calentamiento eléctrico en dispositivos espintrónicos”, dijo Yu. “Además, es muy fácil de hacer en términos muy simples, por lo que se puede aplicar a cualquier sistema con electrónica estándar. Este enfoque se puede utilizar para optimizar el rendimiento en cualquier tipo de dispositivo microscópico”.