El láser reproduce paisajes magnéticos a medida

Lauren Riddiford, Aleš Hrabec y Jeffrey Brock (de izquierda a derecha) en la sala limpia de Park Innovaare – justo al lado del PSI. Aquí se crean las estructuras magnéticas innovadoras, que se modifican de manera precisa mediante láser. © Instituto Paul Scherrer PSI / Mahir Dzambegovic

De luz láser a copo de nieve: Esta estructura magnética fue creada en el PSI con un láser industrial — no para decoración, sino como una demostración de modificación precisa de materiales con potencial para almacenamiento de datos, IA y fotónica. © Instituto Paul Scherrer PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han logrado, en colaboración con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Boulder, Colorado, por primera vez, variar continuamente las propiedades magnéticas de los materiales en dos dimensiones utilizando tecnología láser existente. Este método sencillo y rápido debería permitir una variedad de aplicaciones, incluyendo nuevas técnicas para el almacenamiento y procesamiento de datos.

A veces se puede lograr lo sorprendente cuando se utilizan herramientas convencionales de una manera nueva. Esto fue exactamente lo que les ocurrió a los investigadores cuando usaron el equipo láser de alta tecnología en la sala limpia del PSI para algo para lo que no estaba previsto. Originalmente, fue adquirido para la fotolitografía, un proceso para producir estructuras diminutas en 2D. Normalmente, el láser irradia una capa fotosensible con diferentes intensidades de luz, creando diferentes niveles de exposición, también llamados niveles de gris. La fotolitografía en escala de grises forma un relieve tridimensional, que ahora puede transferirse al material deseado. Un campo importante de aplicación de esta técnica es la microóptica moderna, ya que permite fabricar, por ejemplo, lentes para teléfonos inteligentes.

«Utilizamos esta herramienta para algo diferente a su propósito original», explica Aleš Hrabec: «Con ella, generamos cambios continuos en las propiedades magnéticas en materiales que son importantes para una variedad de aplicaciones.» Hrabec es científico en el grupo de Sistemas Mesoscópicos, dirigido por Laura Heyderman, que forma parte del PSI y del ETH Zurich. Cuando los investigadores hablan de sistemas mesoscópicos, se refieren a sistemas en la escala de unos pocos micrómetros. Para comparar: un cabello humano tiene un diámetro de aproximadamente 100 micrómetros, es decir, mucho más grande.

Una idea loca que funciona

Para cambiar las propiedades de un material magnético, por ejemplo, se puede calentar en un horno. Pero esto cambia toda la muestra. Buscando un método para cambios localizados, los investigadores del PSI tuvieron la idea de insertar una película delgada de un material magnético sin capa fotosensible en el equipo de fotolitografía existente. «Fue una idea loca, por eso me sorprendió mucho que funcionara de inmediato», cuenta Lauren Riddiford, postdoc en el grupo de Sistemas Mesoscópicos: «Cuando observamos el contraste magnético bajo un microscopio especial, pudimos ver inmediatamente los cambios continuos en las propiedades magnéticas.»

El láser funciona, en principio, como un horno, pero su efecto modifica las propiedades magnéticas con precisión puntual. Con el láser, se escanea la superficie de la muestra y se modula la intensidad de la luz según se desee. Así, se calientan áreas muy pequeñas, de solo 150 nanómetros de tamaño. El método se llama «Anillado Láser de Escritura Directa», abreviado DWLA, que significa algo así como: brillo láser de escritura directa. Gracias al calentamiento localizado, un material puede cambiarse de forma local: oxidarse, cristalizarse o incluso aleacionar dos metales. Esto permite modificar la fuerza o la dependencia de la dirección de la magnetización, así como influir en la interacción en la interfaz entre dos materiales.

Este procedimiento local y gradual puede generar de manera única lo que se llaman gradientes de propiedades magnéticas, que pueden adoptar formas arbitrarias según se desee. Hasta ahora, solo se podían fabricar gradientes laterales unidimensionales de estas propiedades. Ahora, es posible crear círculos, espirales o estructuras aún más complejas, como demuestra Riddiford en un video que muestra la formación de una estructura magnética en forma de copo de nieve. «Cuando aplicamos un campo a la muestra tratada, primero la magnetización en el centro cambia de dirección de hacia arriba a hacia abajo. Si el campo se fortalece, esta conmutación se extiende radialmente», explica la investigadora. En las áreas alrededor del copo de nieve, el material fue calentado con suficiente intensidad para que dejara de ser magnético.

Más rápido, eficiente y seguro

Pero el objetivo de los investigadores no son solo imágenes bonitas, sino aplicaciones concretas, por ejemplo, en la tecnología de almacenamiento de datos. Los pequeños imanes se han utilizado durante mucho tiempo para asegurar datos en discos duros de computadoras. Dependiendo de la dirección en que apunta el polo de un imán, esto corresponde a un uno o un cero, es decir, al valor de un bit. Sobre el disco giratorio hay una bobina que lee y escribe la información mediante un campo magnético. «Con nuestra técnica, queremos descubrir qué materiales y propiedades magnéticas son los más adecuados para fabricar memorias sin partes móviles y que no requieran el uso de campos magnéticos», dice Jeffrey Brock, también postdoc en el grupo de Sistemas Mesoscópicos.

Debido a los cambios continuos en las propiedades magnéticas del medio de almacenamiento, no es necesario un campo magnético para cambiar la magnetización de los bits. Se puede usar una corriente eléctrica para escribir y leer la información. Aunque ya existen estos elementos de almacenamiento, «creemos que nuestro enfoque para cambiar localmente las propiedades del material es mucho más simple y rápido que las tecnologías actuales para crear estos patrones», afirma Brock. Los dispositivos de almacenamiento controlados por corriente son más rápidos y permiten almacenar más datos en menos espacio. Los investigadores también quieren aplicar esto a una clase especial de materiales, los llamados antiferromagnéticos sintéticos. Esto haría que el almacenamiento de datos fuera más duradero y seguro, ya que estos materiales son inmunes a campos magnéticos externos.

Procesar y almacenar en el mismo chip

Otra posible aplicación es el llamado procesamiento en memoria, donde el procesamiento y el almacenamiento de datos ocurren en un mismo chip. En los dispositivos electrónicos actuales, los datos se transfieren constantemente entre el procesador rápido y la unidad de almacenamiento mucho más lenta, lo que consume mucho tiempo y energía. Utilizar un solo chip aceleraría enormemente el acceso a los datos.

Hace ya cuatro años, una colaboración de investigación del PSI y ETH Zurich logró por primera vez realizar operaciones lógicas en un material magnético en el que también se pueden almacenar los datos, una invención que además fue patentada. Sin embargo, el material utilizado hasta ahora no es compatible con los procesos de fabricación actuales en la industria de chips. «Esperamos que, con la tecnología láser, podamos fabricar un material magnético compatible con estos procesos estándar», dice Hrabec.

Otro campo de investigación nuevo es la llamada computación neuromórfica, un tipo de procesamiento de datos inspirado en el cerebro y la red de neuronas. En ella, pequeños imanes en diferentes configuraciones interactúan como las neuronas en su red. «El cerebro tampoco está hecho de un material simple», dice Hrabec: «Por eso, para este propósito, no basta con una capa delgada de un solo material magnético como el cobalto, sino que se necesita algo más complejo.» Una tarea ideal para la nueva tecnología láser, que permite crear paisajes magnéticos de cualquier tipo.

Hrabec está convencido de que el trabajo del equipo de investigación abrirá muchas otras aplicaciones, por ejemplo, en el campo de la sensorística o la fotónica, donde se utiliza la luz para transmitir información. Gracias al calentamiento por láser y la cristalización en el material, se puede modificar el índice de refracción y, con ello, las propiedades ópticas del material. La gran ventaja del brillo láser es que el equipo utilizado es un aparato comercial que ya está presente en muchos laboratorios en todo el mundo. No requiere vacío ni condiciones especiales. Además, permite lograr en segundos lo que en un horno tomaría horas. «La gran fortaleza de esta técnica es que es económica, rápida y ampliamente disponible», resume Hrabec.