Científicos logran captar un giro magnético en 140 billonésimas de segundo

Un equipo de investigadores liderado por Ryo Shimano en la Universidad de Tokio logró observar directamente cómo giran los electrones dentro de un antiferromagneto, un material donde los giros opuestos se cancelan entre sí. Al capturar este proceso en acción, los científicos identificaron dos mecanismos de conmutación distintos. Uno de ellos señala un camino práctico hacia memorias magnéticas ultrarrápidas y dispositivos lógicos que podrían superar la tecnología actual. Los resultados fueron publicados en Nature Materials.

Desde las tarjetas perforadas y los tubos de vacío hasta los transistores, la computación moderna siempre ha dependido de sistemas físicos para representar ceros y unos. A medida que aumenta la demanda de potencia de procesamiento, los investigadores buscan alternativas más rápidas y eficientes. Los antiferromagnetos presentan una opción prometedora. Aunque parecen magnéticamente neutrales debido a que sus giros se equilibran, su estructura magnética interna puede ser aprovechada para almacenar información digital de nuevas maneras.

"Durante muchos años", comentó Shimano, "los científicos creyeron que los antiferromagnetos como Mn₃Sn (manganeso tres estaño) podían cambiar su magnetización de manera extremadamente rápida. Sin embargo, no estaba claro si esta conmutación no volátil podría completarse en unos pocos a varias decenas de picosegundos o cómo realmente cambiaba la magnetización durante el proceso de conmutación".

¿Calor o corriente? Resolviendo el misterio de la conmutación

Una pregunta central fue qué impulsa realmente la inversión de giro. ¿La corriente eléctrica invierte los giros directamente, o el calor generado por la corriente causa el cambio?

Para averiguarlo, el equipo diseñó un experimento para observar el proceso en tiempo real. Fabricaron una película delgada de Mn₃Sn y enviaron pulsos eléctricos breves a través de ella. Al mismo tiempo, iluminaron la muestra con destellos de luz ultrarrápidos y precisos, ajustando el retraso entre el pulso de corriente y el pulso de luz. Este enfoque les permitió ensamblar una secuencia temporal que mostraba cómo evolucionaba la magnetización momento a momento.

"La parte más desafiante del proyecto", recuerda Shimano, "fue medir los cambios infinitesimales en la señal magnetoóptica. Sin embargo, nos sorprendió lo claramente que finalmente pudimos observar el proceso de conmutación una vez que establecimos el método correcto".

Se revelan dos mecanismos de conmutación de giro distintos

El experimento produjo algo sin precedentes: una vista cuadro por cuadro de los cambios en el patrón magnético durante la conmutación. Las imágenes mostraron que el comportamiento depende de la fuerza de la corriente aplicada.

Cuando la corriente era fuerte, la conmutación se impulsó por efectos de calentamiento. Sin embargo, bajo condiciones de corriente más débiles, los giros se invirtieron con poco o ningún calentamiento involucrado. Este segundo camino es especialmente significativo porque sugiere una forma de controlar los estados magnéticos de manera rápida y eficiente sin desperdiciar energía como calor.

Ese mecanismo de conmutación sin calor podría servir como base para los dispositivos espintrónicos de próxima generación utilizados en computación, comunicaciones y electrónica avanzada. Para Shimano, los hallazgos apuntan a un nuevo territorio científico aún por explorar.

Superando los límites de la conmutación en picosegundos

"Nuestra actual observación más rápida en tiempo resuelto de la conmutación eléctrica en Mn₃Sn es de 140 picosegundos, principalmente limitada por la brevedad de los pulsos de corriente que se pueden generar en nuestra configuración del dispositivo. Sin embargo, nuestros hallazgos sugieren que el material podría conmutar incluso más rápido bajo condiciones apropiadas. En el futuro, planeamos explorar estos límites extremos creando pulsos de corriente aún más cortos y optimizando la estructura del dispositivo".

Aunque las mediciones actuales están limitadas a 140 picosegundos, el verdadero límite de velocidad del material podría ser aún más corto. Al perfeccionar sus herramientas experimentales y el diseño del dispositivo, los investigadores esperan descubrir cuán rápido puede llegar a ser la conmutación de giro antiferromagnética.