Memorias magnéticas basadas en nanódromos para eskirmiones

Dibujo20150106 Topological spin textures in two-dimensional skyrmion crystal - 2010 - nature com

La espintrónica es el futuro de las memorias magnéticas. Un eskirmión magnético puede almacenar un bit gracias a su gran robustez. Ideal para memorias por su tamaño nanométrico y por su bajo consumo (para su manipulación bastan corrientes eléctricas muy pequeñas). Se publica en Scientific Reports un estudio de la interacción mutua entre eskirmiones para determinar la separación mínima entre ellos que garantiza que dos bits eskirmiónicos no interfieran entre sí. También se estudian otros parámetros geométricos para su fabricación por nanolitografía.

Las memorias de eskirmiones están formadas por un nanocable (nanowire) o por una nanocinta (nanostrip) en la que los eskirmiones se generan (escriben), se almacenan (memorizan) y se destruyen (leen). Los eskirmiones se mueven en línea recta como si fueran corredores de 100 metros lisos en una lista de atletismo. Por ello a estas celdas de memoria se las suele llamar nanoracetracks o para abreviar nanotracks, que yo he traducido como nanódromos; en inglés se suele hablar de skyrmion-based racetrack memory (RM).

El artículo técnico es Xichao Zhang et al., “Skyrmion-skyrmion and skyrmion-edge repulsions in skyrmion-based racetrack memory,” Scientific Reports 5: 7643, 06 Jan 2015; arXiv:1403.7283 [cond-mat.mtrl-sci]. En este blog puedes leer “Skyrmiones (vórtices nanomagnéticos) observados por primera vez de forma directa gracias a los electrones que los atraviesan,” LCMF 16 Jun 2010.

Dibujo20150106 three skyrmion - srep07643-s4

El físico Tony Skyrme (1922-1987) introdujo el concepto de eskirmión (skirmion) en física nuclear en 1954. El núcleo de los átomos está formado por nucleones (protones y neutrones); estos bariones se mueven como si nadaran en un fluido, un mar de mesones. Para describir la materia nuclear Skyrme usó una teoría cuántica de campos, un modelo sigma no lineal, cuyos estados tipo partícula son los piones y que presenta estados no lineales de tipo solitón (soluciones topológicas), que representan a los nucleones, llamados eskirmiones.

En 1989, Alexei N. Bogdanov y varios colegas predijeron la aparición de eskirmiones en materiales ferromagnéticos (anisótropos no-centrosimétricos) al aplicar campos magnéticos. Este tipo de eskirmión es una configuración topológica robusta de una red de espines similar a una vórtice, con un espín central invertido respecto a los que le rodean. La primera evidencia experimental se obtuvo en 2009 en cristales magnéticos de MnSi (un ferromagneto metálico); hoy se han observado en Fe1−xCoxSi, FeGe, Cu2OSeO3 y otros materiales. En sentido estricto estos eskirmiones de estado sólido tienen poco que ver con los introducidos por Skyrme. Sin embargo, el uso de este término para describir solitones con propiedades topológicas es muy habitual en física de la materia condensada.

Dibujo20150106 Schematic of typical vertical-current-driven horizontal skyrmion-based racetrack memory - srep07643

El diseño óptimo de un nanódromo para eskirmiones requiere conocer en detalle las interacciones mutuas entre eskirmiones, con las paredes de la pista y con la punta lectora (notch). La interacción mutua entre dos eskirmiones es repulsiva. El diseño más habitual para la punta de escritura crea los eskirmiones a pares, aunque separados por cierta distancia. Por ello es importante estudiar la separación óptima. El nuevo artículo realiza este estudio mediante simulación numérica por ordenador. Crean una pareja de eskirmiones de 5 nm de diámetro cada uno con separaciones de 30 nm, 52 nm, 57 nm y 62 nm. Estos eskirmiones corren en el centro de un nanódromo de 400 nm de largo y 40 nm de ancho.

Dibujo20150106 Distance d and repulsive force between two skyrmions on the racetrack - srep07643-f2

Cuando dos eskirmiones se crean muy juntos (distancia 30 nm) se separan rápidamente (en 1 ns alcanzan unos 52 nm) debido a su fuerza de repulsión (Fss). Esta fuerza decrece con la distancia y para una separación mutua de más de 62 nm es Fss < 10–13  N/m (para 30 nm es Fss ≈ 1,5 × 10–7 N/m). Como una implementación física mediante nanolitografía presentará imperfecciones en la geometría e impurezas en el material, los autores recomiendan usar una separación entre eskirmiones de unos 62 nm (o al menos mayor de 57 nm). También han estudiado la anchura óptima del nanódromo entre 10 nm y 100 nm. Para anchuras inferiores a 20 nm los eskirmiones no son estables y se desintegran rápidamente en paredes de dominio magnéticas (el mecanismo usado para almacenar información en las memorias magnéticas convencionales). Los autores también han estudiado la forma óptima de la punta de lectura; un método simple y eficaz para leer y borrar bits eskirmiónicos es desintegrarlos en paredes de dominio en dicha punta. No quiero entrar en más detalles técnicos (los interesados pueden consultar el artículo técnico).

En resumen, me parece muy sugerente la idea de las memorias de nanódromos (RM) y las basadas en eskirmiones son las más prometedoras (aunque otros diseños basados en otros tipos de solitones y soluciones topológicas). El diseño teórico de estas memorias es el paso previo imprescindible para su uso futuro en aplicaciones. Los eskirmiones nos recuerdan que conceptos que nacen en la teoría cuántica de campos, donde no tienen el éxito esperado, pueden ser aprovechados en aplicaciones prácticas gracias a la física de la materia condensada y la física del estado sólido.

PS (07 Ene 2015): He modificado ligeramente el texto. Yo había traducido “tracetrack” como hipódromo, pero César Tomé aka @EDocet que “[hipódromo, no; 100 m lisos en atletismo]; los caballos nunca corren en línea recta. Nada más salir del cajón buscan la cuerda y las carreras incluyen, al menos, 1 curva.” En cuanto a mi traducción me aclara que “nanodromo es casi perfecta, ya que δρόμος es “pista de carreras” (digo casi porque una raiz es latina y la otra griega).” Gracias, César.



1 Comentario

  1. Me despido de este foro estimado Francis. No puedo darle el tiempo que se merece para entender todo lo escrito, ademas, economicamente tengo graves problemas que me llevan a necesitar mas tiempo de trabajo y menos de lectura de relajacion. Saludos

Deja un comentario

Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 6 enero, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
Etiqueta(s): ,