Las fibras nanomagnéticas allanan el camino hacia una nueva forma de computadoras

La tabla de la izquierda muestra una imagen generada mediante microscopía electrónica de barrido de un guía de ondas YIG de 50 nm de ancho. La antena permite excitar ondas de espín, que luego se propagan a lo largo de la tira. La tabla de la derecha muestra un recorte ampliado del guía de ondas en comparación con el tamaño del coronavirus. (Fuente: TUK / Centro de Estructuración Nanométrica)

El magnetismo ofrece por un lado nuevas posibilidades para desarrollar ordenadores más potentes y eficientes energéticamente, por otro lado, la realización de cálculos magnéticos a escala nanométrica es una tarea desafiante. Un equipo de investigadores de Kaiserslautern, Jena y Viena informa sobre un avance decisivo en el campo de los cálculos con un consumo de energía ultrabajo mediante ondas magnéticas en la revista Nano Letters.

Una perturbación local en el orden magnético de un imán puede propagarse en forma de ondas a través de un material. Estas ondas se llaman ondas de espín y las cuasi-partículas asociadas se denominan magnones. Científicos de la Universidad Técnica de Kaiserslautern, de Innovent e.V. de Jena y de la Universidad de Viena son conocidos por su experiencia en el campo de la investigación en „Magnónica”. Aquí, los magnones se utilizan para el desarrollo de nuevos tipos de ordenadores que podrían complementar los procesadores basados en electrones que son comunes hoy en día.

„Una nueva generación de ordenadores con magnones podría ser más potente y, sobre todo, consumir menos energía. Una condición importante es que podamos fabricar lo que se llaman guías de ondas monomodo, que nos permitan utilizar esquemas avanzados de procesamiento de señales basados en ondas”, dice el profesor asociado Philipp Pirro, uno de los principales científicos del proyecto. „Para ello, debemos reducir las dimensiones de nuestras estructuras a la escala nanométrica. El desarrollo de tales conductores de datos abre, por ejemplo, la puerta al desarrollo de sistemas informáticos neuromórficos que se inspiran en el funcionamiento del cerebro humano."

Sin embargo, escalar la tecnología de magnónica a la escala nanométrica es un desafío: „Un material muy prometedor para aplicaciones magnéticas es la granate de hierro y itrio (YIG). YIG es una especie de 'material magnético noble', ya que los magnones en él duran aproximadamente cien veces más que en otros materiales”, dice el director del proyecto, el profesor Andrii Chumak de la Universidad de Viena. „Pero todo tiene su precio: YIG es muy complejo y difícil de manejar cuando se intenta fabricar estructuras diminutas con él. Por eso, durante décadas, las estructuras de YIG tenían un tamaño milimétrico, y solo ahora hemos logrado reducirlo a 50 nanómetros, lo que es aproximadamente 100.000 veces menor.”

Para ello, en el Centro de Nanofabricación de la Universidad Técnica de Kaiserslautern se desarrolló una tecnología especial y nueva, que utiliza las capas de YIG cultivadas por el empleado Dr. Carsten Dubs de Innovent e.V. de Jena. Sobre esta capa de YIG se aplica una capa delgada de metal, llamada máscara, que deja libre la mayor parte de esa capa. Luego, la muestra se somete a un fuerte flujo de iones de argón, que elimina las partes no protegidas de la capa de YIG, mientras que el material bajo la máscara permanece intacto. Después, se retira la máscara metálica, dejando a la vista una franja de 50 nm de la capa de YIG terminada.

„Lo decisivo para el éxito de todo el proceso fue encontrar los materiales adecuados para la máscara, determinar su grosor y ajustar docenas de parámetros diferentes para obtener las propiedades deseadas en una capa de YIG”, dice Björn Heinz, el autor principal del artículo. „Tras varios años de investigaciones, finalmente encontramos el método adecuado, una combinación de capas de cromo y titanio. La anchura de la estructura de YIG es aproximadamente mil veces menor que el grosor de un cabello humano. Tras la estructuración exitosa, los científicos continuaron investigando la propagación de magnones para comprobar si las estructuras nanométricas de YIG conservan las propiedades superiores del material YIG.

„Pudimos demostrar que el proceso de estructuración tuvo solo un impacto mínimo en las fantásticas propiedades de este material”, dice Heinz. „Además, pudimos demostrar experimentalmente que los magnones pueden transportar información de manera eficiente a largas distancias en los conductores, como se había afirmado anteriormente en la teoría. Estos resultados representan un paso importante en el desarrollo de circuitos magnónicos y demuestran la viabilidad general del procesamiento de datos basado en magnones.”

La investigación fue realizada en el marco de la Beca Starting Grant del ERC MagnonCircuits (A. Chumak), del SFB 173 Spin+X (P. Pirro) y del proyecto DFG DU 1427/2-1 (C. Dubs), y fue financiada por el centro de investigación OPTIMAS.

Los resultados se publicaron en la revista Nano Letters: DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657