Desenvolupen un interruptor magnètic amb menys despesa energètica
Un equip internacional coordinat per la UAB ha demostrat la possibilitat d’activar i desactivar la magnetització mitjançant voltatge en una nova classe de materials fàcils de fabricar que contenen nitrogen. Els resultats poden ser d’utilitat per millorar l’eficiència energètica dels dispositius.
18/11/2020
Els materials magnètics són omnipresents a la societat moderna, hi són presents en gairebé tots els dispositius tecnològics que fem servir diàriament. En particular, l'electrònica personal, com ara telèfons intel·ligents, rellotges, tauletes i ordinadors de sobretaula, depèn de materials magnètics per emmagatzemar informació. La informació dels dispositius moderns s’emmagatzema en llargues cadenes d’uns i zeros, l’anomenat sistema binari que utilitzen com a llenguatge els ordinadors.
“Si us imagineu un imant en forma barra, el mateix amb que molts de nosaltres jugàvem de petits (i potser encara ho fem), recordareu que tenien un pol "nord" i un pol "sud" (o tenien dos colors diferents) a cada extrem. Si posàvem dos imants l'un al costat de l'altre, els mateixos pols es repel·lien i els pols oposats s’atreien. D’aquesta manera, es pot assignar un “1” i un “0” a l’orientació d’un imant, de manera que es pot disposar una llarga cadena d’imants en un ordinador per emmagatzemar dades”, explica el professor ICREA de la UAB Jordi Sort, un dels coordinadors de la recerca.
Actualment, a l’electrònica, canviar l’orientació d’un imant (bàsicament escriure o reescriure dades) s’ha basat en l’ús de corrent, el mateix corrent necessari per alimentar els endolls de casa i carregar el telèfon. Però hi ha un problema: quan el corrent elèctric passa per un material, el material s’escalfa. Aquesta calor és una forma d’energia que es perd al medi ambient, essencialment malgastada. La demanda d’emmagatzemar cada vegada més dades augmenta cada any i fa necessària la creació de dispositius cada vegada més petits, cosa que empitjora exponencialment aquest efecte de calefacció, provocant enormes pèrdues d’energia. No és d’estranyar, doncs, que actualment investigadors de molts àmbits diferents centren les seva recerca en el desenvolupament de nous materials i tecnologies eficients energèticament per a resoldre aquest problema.
Una possible solució a aquest problema és utilitzar materials magnètics que es poden reorientar mitjançant voltatge elèctric, subtituïnt els corrents elèctrics i així reduïnt les pèrdues per calor. Aquests materials s’estudien en un camp de recerca anomenat magnetisme controlat per voltatge. Hi ha diverses línies d'investigació en aquest camp, però una de les més prometedores és la magneto-iònica, on les propietats magnètiques es poden modificar movent àtoms no magnètics dins i fora d'un material mitjançant voltatge, alterant així les seves propietats magnètiques.
Un estudi recent dirigit pels doctors Julius de Rojas i Enric Menéndez i el professor ICREA Jordi Sort, del Departament de Física de la UAB, en col·laboració amb la Universitat de Grenoble, el HZDR Dresden, el CNM-Madrid, el CNM-Barcelona i l’ICN2, i publicat a la revista Nature Communications ha demostrat que és possible activar i desactivar el magnetisme en metalls que contenen nitrogen (és a dir, generar o eliminar el magnetisme d’aquest material) amb voltatge elèctric.
En concret, s’ha demostrat que aplicant voltatge elèctric al nitrur de cobalt (CoN), que no és magnètic per si sol, els ions de nitrogen surten del material donant lloc a una estructura rica en cobalt que és magnètica. Amb l’aplicació d’un voltatge de signe contrari, s’aconsegueix que el procés s’inverteixi i els ions de nitrogen tornen a nitrurar les zones riques en cobalt, fent que el material sigui no magnètic una altra vegada. Això no deixa de ser una mena d’interruptor magnètic. Una analogia seria la possibilitat d’aconseguir que un imant pugui o no enganxar-se a la nevera (per exemple) connectant-hi una pila i aplicant voltatge d’una polaritat concreta, que activi o desactivi el magnetisme.
Aquest procés és reversible i es pot repetir, cosa que suggereix que aquest sistema es podria fer servir com a mitjà per escriure i emmagatzemar dades. A més a més, aquest treball també demostra que es requereix menys energia i és més ràpid que els sistemes que utilitzen àtoms alternatius, com l’oxigen, maximitzant l’estalvi energètic.
Referència:
Julius de Rojas, Alberto Quintana, Aitor Lopeandía, Joaquín Salguero, Beatriz Muñiz, Fatima Ibrahim, Mairbek Chshiev, Aliona Nicolenco , Maciej O. Liedke, Maik Butterling, Andreas Wagner, Veronica Sireus, Llibertat Abad, Christopher J. Jensen, Kai Liu, Josep Nogués, José L. Costa-Krämer, Enric Menéndez & Jordi Sort, Voltage-driven motion of nitrogen ions: a new paradigm for magneto-ionics, Nature Communications (2020). DOI:10.1038/s41467-020-19758-x