Memoria espintrónica basada en el antiferromagneto CuMnAs

Por Francisco R. Villatoro, el 5 febrero, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20160205 CuMnAs crystal structure and AFM ordering sciencemag org

Las memorias espintrónicas se diferencian de las electrónicas en que usan el espín del electrón en lugar de su carga. Usar materiales ferromagnéticos tiene un gran problema: campos magnéticos externos pueden borrar la memoria. La solución se publica en Science, el uso de materiales antiferromagnéticos. Hasta ahora parecía imposible manipular el espín en estos materiales. El nuevo trabajo lo logra en películas delgadas del antiferromagneto CuMnAs.

Este avance tan prometedor en espintrónica se ha publicado en P. Wadley et al., “Electrical switching of an antiferromagnet,” Science 351: 587-590 (05 Feb 2016) doi: 10.1126/science.aab1031, arXiv:1503.03765 [cond-mat.mes-hall]; más información divulgativa en Christopher Marrows, “Addressing an antiferromagnetic memory,” Science 351: 558-559 (05 Feb 2016), doi: 10.1126/science.aad8211. [PS] La última figura de esta entrada es de X. Martí, I. Fina, T. Jungwirth, “Prospect for antiferromagnetic spintronics,” IEEE Transactions on Magnetics 51: 1-4 (2015), doi: 10.1109/TMAG.2014.2358939arXiv:1506.07507 [cond-mat.mtrl-sci].

Dibujo20160205 Optical microscopy image of the device and magnetization versus applied field of CuMnAs on GaP wafer measured by SQUID magnetometer sciencemag org

La espintrónica es una de las nanotecnología más prometedoras desde el punto de vista comercial. El futuro de las memorias DRAM (RAM dinámica) y Flash son las memorias MRAM (RAM magnetorresistiva o magnética). Este tipo de memoria no volátil basada en espintrónica se desarrolló en los años 1990, pero no ha tenido el éxito esperado. Quizás influye que se usan ferromagnetos y hay cierto riesgo de borrado accidental de los datos. El los últimos años se ha investigado mucho el uso de antiferromagnetos. En estos materiales los espines (momentos magnéticos elementales) de sus átomos, en lugar de apuntar todos en la misma dirección como en los ferromagnetos, alternan sus direcciones en átomos próximos (como ilustra la siguiente figura).

Dibujo20160205 flow electrical current reorients alternating antiferromagnetic moments sciencemag org

El gran problema de los antiferromagnetos es cómo acceder desde el exterior a los espines individuales usando corrientes eléctricas. Peter Wadley (Univ. Nottingham, Reino Unido) y sus colegas lo logran usando capas muy delgadas de CuMnAs (cuya fabricación publicaron en P. Wadley et al., “Tetragonal phase of epitaxial room-temperature antiferromagnet CuMnAs,” Nature Communications 4: 2322 (20 August 2013), doi: 10.1038/ncomms3322). Gracias a ello han fabricado una memoria nanotecnológica donde se pueden escribir y leer bits usando corrientes eléctricas, que se mantienen de forma permanente sin alimentación externa, siendo inmunes a campos magnéticos externos que pueden afectar a los materiales ferromagnéticos.

Dibujo20160205 Optical microscopy image device and measurement geometries sciencemag org

Cada celda de memoria tiene una estructura similar a la bandera del Reino Unido (“Union Jack”). Según la dirección en que se apliquen corrientes eléctricas se escribe un bit (flechas roja y negra) o se lee su valor (flecha verde en diagonal). En concreto, para la escritura se usan pulsos eléctricos de 50 ms (milisegundos) con una amplitud de 50 mA (miliamperios), lo que aplicado a un dispositivo de 8 µm (micrómetros) equivale a una densidad de corriente de 4 × 106 A/cm² en el centro del dispositivo; dichos pulsos se aplican las direcciones [100] y [010] del cristal de CuMnAs. Para la lectura se aplican los pulsos en la dirección [110] del cristal.

Dibujo20160205 FM memory sensitive to magnetic field perturbations AFM memory insensitive to magnetic field perturbations IEEE Transactions on Magnetics

Por supuesto, todavía faltan muchos años hasta que las nuevas memorias MRAM basadas en antiferromagnetos lleguen al mercado. Hay muchos detalles técnicos que hay que resolver para optimizar la velocidad de lectura/escritura. Además, hay otros materiales antiferromagnéticos que se pueden fabricar en películas delgadas y otros laboratorios del mundo estudiarán diseños similares de memorias MRAM. Pero, sin lugar a dudas, se ha dado el pistoletazo de salida a la carrera por la memoria MRAM del futuro.



4 Comentarios

  1. Perdona la duda chorra, tengo estos temas muy olvidados y es la hora de la siesta…

    Revisando conceptos en la wikipedia, no veo el porqué los materiales antiferromagnéticos deberían estar mas protegidos frente a los campos magnéticos externos con respecto a los ferromagneticos, si ambos alinean sus dipolos magnéticos (cada uno a su modo) en su presencia.

    Saludos

    1. Ki, la fuerza inducida por el campo magnético se aplica a los momentos magnéticos locales; para dos átomos ↑↑ sus momentos magnéticos se suman y la fuerza ejercida por el campo magnético se duplica; sin embargo, para dos átomos ↑↓ sus momentos magnéticos se restan y se anula la fuerza ejercida por el campo magnético externo. He añadido una figura al final de la entrada que espero aclare la cuestión.

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