Crean un nuevo estado magnético, el vortión, que imita las sinapsis neuronales

Investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han desarrollado experimentalmente un nuevo estado magnético: el vortión o vórtice magnetoiónico. La investigación, publicada en Nature Communications, permite un nivel de control sin precedentes de las propiedades magnéticas a escala nanométrica y a temperatura ambiente, y abre nuevos horizontes para el desarrollo de dispositivos magnéticos avanzados.

La utilización de grandes cantidades de datos (Big Data) ha multiplicado la demanda energética en las tecnologías de la información. En general, para almacenar la información se utilizan corrientes eléctricas que calientan los dispositivos y disipan energía. Controlar las memorias magnéticas con voltaje, en lugar de corrientes eléctricas, puede minimizar este gasto. Una estrategia para hacerlo podría ser el uso de los materiales magnetoiónicos, que permiten manipulación de sus propiedades magnéticas añadiendo o extrayendo iones mediante cambios en el voltaje aplicado. Sin embargo, hasta ahora la mayor parte de los estudios en este ámbito se han centrado en capas continuas, no en el control de las propiedades en bits de dimensiones nanométricas, necesarios para almacenar datos con densidad elevada. Por otro lado, es conocido que en la escala sub-micrométrica aparecen fenómenos magnéticos nuevos, que no existen en la escala macroscópica, como los vórtices magnéticos (que recuerdan pequeños remolinos magnéticos), los cuales tienen aplicaciones en el modo como se graban y leen los datos magnéticos actualmente, así como en biomedicina. Modificar el estado vórtice en muestras ya preparadas suele ser imposible o requiere grandes cantidades de energía.

Investigadores del Departamento de Física de la UAB, con la colaboración de científicos del ICMAB-CSIC, del Sincrotrón ALBA y de centros de investigación de Italia y de los Estados Unidos, proponen una nueva solución que combina la magnetoiónica y los vórtices magnéticos. Los investigadores han desarrollado experimentalmente un nuevo estado magnético que han denominado vórtice magnetoiónico, o vortión. El nuevo objeto permite controlar "a la carta" las propiedades magnéticas de un nanopunto (un punto de dimensiones nanométricas) con gran precisión. Esto se logra extrayendo iones de nitrógeno mediante la aplicación de voltaje, lo que permite un control eficiente con un consumo de energía muy bajo.

"Se trata de un objeto hasta ahora inexplorado en la nanoescala", explica el investigador ICREA del Departamento de Física de la UAB Jordi Sort, director de la investigación. "Existe una gran demanda para controlar los estados magnéticos a escala nanométrica pero, sorprendentemente, la mayor parte de la investigación en magnetoiónica se ha enfocado hasta ahora en el estudio de películas de materiales continuos. Si nos fijamos en los efectos del desplazamiento de iones en estructuras discretas de dimensiones nanométricas, los llamados nanopuntos que hemos analizado, vemos que aparecen configuraciones de espín muy interesantes que evolucionan dinámicamente y que son exclusivas de este tipo de estructuras". Estas configuraciones de espín y las propiedades magnéticas de los vortiones varían en función de la duración del voltaje aplicado. De este modo, a partir de nanopuntos de un material inicialmente no magnético se pueden generar diferentes estados magnéticos (por ejemplo, vortiones con diferentes propiedades o estados con la orientación magnética uniforme) mediante la extracción gradual de iones aplicando un voltaje.

"Con los vortiones que hemos desarrollado podemos tener un control sin precedentes de propiedades magnéticas como la magnetización, la coercitividad, la remanencia, los campos críticos de formación y aniquilación del vortión, o la anisotropía. Son propiedades fundamentales para el almacenamiento de información en memorias magnéticas, y ahora hemos logrado controlarlas y ajustarlas de manera analógica y reversible mediante un proceso de activación por voltaje, con un consumo de energía muy bajo", explica Irena Spasojević, investigadora postdoctoral en el Departamento de Física de la UAB y primera firmante del trabajo. "El procedimiento de actuación por voltaje en lugar de corriente eléctrica evita el calentamiento en dispositivos como ordenadores portátiles, servidores o centros de datos, reduciendo drásticamente la pérdida de energía".

Los investigadores han demostrado que con un control preciso del grosor de la capa magnética generada con voltaje, el estado magnético del material se puede variar a voluntad, de manera controlada y reversible, entre un estado no magnético, un estado con una orientación magnética uniforme (como el que presenta un imán), o el nuevo estado vórtice magnetoiónico.

Este nivel de control sin precedentes de las propiedades magnéticas a escala nanométrica y a temperatura ambiente abre nuevos horizontes para el desarrollo de dispositivos magnéticos avanzados con funcionalidades que pueden adaptarse una vez el material ha sido sintetizado. Esto proporciona una mayor flexibilidad que es necesaria para satisfacer demandas tecnológicas específicas. "Prevemos, por ejemplo, la integración de vórtices magnetoiónicos reconfigurables en redes neuronales como sinapsis dinámicas, capaces de imitar el comportamiento de las sinapsis biológicas", avanza Jordi Sort. En el cerebro, las conexiones entre las neuronas, las sinapsis, presentan diferentes pesos (intensidades) que se van adaptando de manera dinámica según la actividad y aprendizaje. Del mismo modo, los vortiones podrían ofrecer enlaces neuronales con pesos sinápticos sintonizables, reflejados en valores de magnetización o de anisotropía reconfigurables, para dispositivos espintrónicos neuromórficos (inspirados en el cerebro). De hecho, "la actividad de las neuronas y sinapsis biológicas también está controlada por señales eléctricas y migración de iones, de manera análoga a nuestras unidades magnetoiónicas", comenta Irena Spasojević.

Los investigadores consideran que, además de su impacto en dispositivos inspirados en el cerebro, en computación analógica o en memorias multi-nivel, los vortiones podrían tener otras aplicaciones como, por ejemplo, en técnicas de terapia médica (teragnosis), seguridad de datos (ciberseguridad), o en dispositivos de computación mediante espín magnético (espin-lógica) o para la generación de ondas de espín (magnónica).

En la investigación, dirigida por el profesor ICREA del Departamento de Física de la UAB Jordi Sort, y la investigadora postdoctoral del Departamento de Física de la UAB Irena Spasojević como primera autora, han participado Zhen Ma, del mismo departamento, Aleix Barrera y Anna Palau, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), además de investigadores del Sincrotrón ALBA, del Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) de Turin (Italia), y de la Colorado State University (EE. UU.). El trabajo ha sido publicado en la última edición de la revista Nature Communications. La investigación ha sido financiada por el proyecto REMINDS del European Research Council.