31/05/2017

Modular la dependència temporal de la resposta magnetoelèctrica

Una recerca conjunta entre la UAB, l’ICMAB, l’ICN2 i el sincrotró ALBA ha revelat que, sota certes condicions, és possible manipular la imantació de manera molt efectiva tot utilitzant el camp elèctric, en estructures que combinen materials magnètics i piezoelèctrics. Aquesta recerca pot tenir aplicacions en la reducció del consum energètic dels ordinadors, així com en elements de seguretat on la informació hagi de romandre visible durant períodes curts de temps.

Els materials magnètics els podem trobar en una llarga llista de dispositius que usem diàriament. El més proper i conegut: l’imant de la nevera. Però no és l’únic, i un número molt gran d’imants nanomètrics semblants als de la nevera els usem per emmagatzemar tot tipus d’informació. Fins i tot, el text que ara llegiu és probable que estigui emmagatzemat en memòries basades en materials magnètics. En aquestes, els imants nanomètrics apunten el seu nord en una direcció o la oposada segons vulguem emmagatzemar un “0” o un “1”, que són les unitats primàries d’informació, és a dir els bits.

Tanmateix manipular el nord d’aquests imants no és fàcil. La manera natural com manipulem els imants és mitjançant l’ús de camps magnètics. Però la generació d’aquests camps es costosa des del punt de vista energètic. El motiu d’aquest alt cost energètic és que la generació de camps magnètics quasi sempre es fa a través de la circulació de corrent elèctrica. Generar aquesta corrent ja té per sí mateix un alt cost energètic. Però no només això; el fet que la circulació de corrent elèctrica dissipa calor per efecte Joule provoca que els dispositius que requereixin la circulació de corrent elèctrica també requeriran sistemes de refrigeració. Atès que els elements de memòria són cada cop més petits, la densitat de corrent és cada cop més alta i per tant, la necessitat de refredar esdevé més important. Per tant, trobar noves rutes que facin innecessari l’ús de camps magnètics per l’escriptura d’informació és important per tal de permetre una nova generació d’ordinadors amb menys consum energètic i, per tant, millors des del punt de vista econòmic i ambiental.


Animació esquemàtica de l'ús de camps elèctrics, generats per la pil·la, per produir transicions entre els estats ferromagnètic (FM) i antiferromagnètic(AFM)

Una de les possibles rutes que permetrien eliminar la necessitat de la presència de camps magnètics seria que fos possible l’ús de camps elèctrics (és a dir, voltatge) per l’escriptura, però això només passa en presencia d’acoblament magnetoelèctric, el qual no és sempre fàcil d’aconseguir. L’ús de camps eléctrics permetria treballar en circuit obert. En circuit obert la corrent de transport no existeix i, per tant, el consum d’energia i la dissipació de calor (i, per tant, la necessitat de refrigeració) és molt menor.

Usant aquesta premissa, l’ús de camps elèctrics per manipular la imantació, és interessant l’estudi d’estructures on es combinin materials magnètics i piezoelèctrics. Els segons es contrauen/expandeixen al aplicar un camp elèctric. Si aquest moviment es transmet a un material magnètic adjacent al piezoelèctric es produeix acoblament magnetoelèctric i, com a conseqüència, una modulació de la imantació mitjançant camp elèctric. Un recent estudi col·laboratiu entre la UAB, ICMAB, ICN2 i ALBA, realitzat en el marc dels projectes SPINPORICS i #ESRAM i publicat a la revista ACS Applied Materials & Interfaces, ha revelat que sota certes condicions és possible manipular de manera molt efectiva la imantació en estructures magnètiques/piezoelèctriques. L’aspecte més important de l’estudi és que, de forma inesperada, la imantació pot ser manipulada mitjançant camp elèctric de manera que la resposta sigui només transitòria. Això és altament atractiu en elements de seguretat on la informació només vulguem que sigui visible durant un curt període de temps, i així disminuir el risc de còpia i pirateig.

Ignasi Fina Martínez
Laboratory of Multifunctional Oxides and Complex Structures
Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)
ignasifinamartinez@gmail.com

Jordi Sort Viñas
Professor ICREA
Gnm3 Group
Departament de Física
Universitat Autònoma de Barcelona
Jordi.sort@uab.cat

Referències