El camino hacia una memoria de ordenador extremadamente rápida y compacta
Los científicos llevan décadas estudiando un grupo de materiales inusuales llamados multiferroicos que podrían ser útiles para una serie de aplicaciones como la memoria informática, los sensores químicos y los ordenadores cuánticos. En un estudio publicado en Nature, investigadores de la Universidad de Texas en Austin y del MPSD de Hamburgo han demostrado que el material multiferroico estratificado yoduro de níquel (NiI2) puede ser el mejor candidato hasta la fecha para dispositivos extremadamente rápidos y compactos.
Los materiales multiferroicos tienen una propiedad especial llamada acoplamiento magnetoeléctrico, que significa que se pueden manipular las propiedades magnéticas del material con un campo eléctrico y viceversa, las propiedades eléctricas con campos magnéticos. Los investigadores descubrieron que el NiI2 tiene un acoplamiento magnetoeléctrico mayor que cualquier otro material conocido de su clase, lo que lo convierte en un candidato idóneo para los avances tecnológicos.
"Desvelar estos efectos a escala de escamas atómicamente finas de yoduro de níquel fue un reto formidable", dijo Frank Gao, becario postdoctoral de física en la UT y coautor principal del artículo, "pero nuestro éxito supone un avance significativo en el campo de la multiferroica".
"Nuestro descubrimiento allana el camino hacia dispositivos magnetoeléctricos extremadamente rápidos y energéticamente eficientes, incluidas las memorias magnéticas", añadió la estudiante de posgrado Xinyue Peng, otra coautora principal del proyecto.
Los campos eléctricos y magnéticos son fundamentales para nuestra comprensión del mundo y para las tecnologías modernas. En el interior de un material, las cargas eléctricas y los momentos magnéticos atómicos pueden ordenarse de tal manera que sus propiedades se sumen, formando una polarización eléctrica o una magnetización. Tales materiales se conocen como ferroeléctricos o ferromagnéticos, dependiendo de cuál de estas magnitudes se encuentre en estado ordenado.
Sin embargo, en materiales exóticos que son multiferroicos, dichos órdenes eléctrico y magnético coexisten. Los órdenes magnético y eléctrico pueden entrelazarse de tal manera que un cambio en uno provoca un cambio en el otro. Esta propiedad, conocida como acoplamiento magnetoeléctrico, hace de estos materiales candidatos atractivos para dispositivos más rápidos, pequeños y eficientes. Para que funcionen con eficacia, es importante encontrar materiales con un acoplamiento magnetoeléctrico especialmente fuerte.
Los investigadores lo consiguieron excitando NiI2conpulsos láser ultracortos en el rango de los femtosegundos (una millonésima de milmillonésima de segundo) y rastreando después los cambios resultantes en los órdenes eléctrico y magnético del material y el acoplamiento magnetoeléctrico a través de su impacto en propiedades ópticas específicas.
Para entender por qué el acoplamiento magnetoeléctrico es mucho más fuerte en NiI2que en materiales similares, el equipo realizó cálculos exhaustivos.
"Aquí intervienen dos factores importantes", explica Emil Viñas Boström, del MPSD. "Uno de ellos es el fuerte acoplamiento entre el espín de los electrones y el movimiento orbital de los átomos de yodo, un efecto relativista conocido como acoplamiento espín-órbita. El segundo factor es la forma particular del orden magnético en el yoduro de níquel, conocido como espiral o hélice de espín. Este orden es crucial tanto para iniciar el orden ferroeléctrico como para la fuerza del acoplamiento magnetoeléctrico".
Según los investigadores, materiales como el NiI2 con un gran acoplamiento magnetoeléctrico tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales. Entre ellas se encuentran las memorias magnéticas para ordenadores, compactas, energéticamente eficientes y mucho más rápidas que los sistemas de memoria actuales; las interconexiones en plataformas de computación cuántica; y los sensores químicos que pueden garantizar el control de calidad y la seguridad de los fármacos en las industrias química y farmacéutica.
Los investigadores confían en que estos descubrimientos revolucionarios sirvan para identificar otros materiales con propiedades magnetoeléctricas similares y que otras técnicas de ingeniería de materiales permitan mejorar aún más el acoplamiento magnetoeléctrico del NiI2.
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Publicación original
Frank Y. Gao, Xinyue Peng, Xinle Cheng, Emil Viñas Boström, Dong Seob Kim, Ravish K. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar, Shang-Fan Lee, Michael A. Sentef, Takashi Kurumaji, Xiaoqin Li, Peizhe Tang, Angel Rubio, Edoardo Baldini; "Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic"; Nature, 2024-7-17
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