Un nou material pot reduir al mínim la despesa dels ordinadors

13/07/2017

Per enregistrar la informació en les memòries magnètiques convencionals dels dispositius electrònics, els petits dominis magnètics dels materials actuen com a imants, que s’orienten cap a un o altre costat fent servir camps magnètics. Per generar aquests camps cal produir corrents elèctrics, però aquests escalfen el material i provoquen despesa energètica. Pràcticament el 40% de l’energia elèctrica que arriba als ordinadors (o en els servidors “Big Data”) es dissipa en forma de calor per aquest motiu.
 
L’any 2007, uns científics francesos van observar que quan els materials magnètics estan disposats en capes ultra-primes, i si s’hi aplica un voltatge, la quantitat de corrent i de despesa energètica necessària per orientar els dominis magnètics disminuïa en un 4%. Tanmateix, aquella petita reducció no era prou significativa per a les aplicacions en dispositius.
 
Un equip de recerca dirigit per l’investigador ICREA Jordi Sort, professor del Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona, amb la col·laboració de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), ha cercat una solució basada en les propietats magnètiques d’un nou material nanoporós per tal d’incrementar aquesta superfície. El nou material, que es destaca aquesta setmana a la revista Advanced Functional Materials, consisteix en capes nanoporoses d’un aliatge de coure i níquel, organitzades de tal manera que en el seu interior forma superfícies i forats similars als de l’interior d’una esponja, però on els porus tenen separacions de tan sols 5 o 10 nanòmetres. És a dir, a les parets dels porus només hi ha lloc per a unes desenes d’àtoms.
 
“Hi ha molts investigadors aplicant els materials nanoporosos en la millora de processos fisicoquímics, com el desenvolupament de nous sensors, però nosaltres hem investigat què poden aportar aquests materials a l’electromagnetisme”, explica Jordi Sort. “Els nanoporus que tenen els materials nanoporosos en el seu interior ofereixen una gran quantitat de superfície. Amb aquesta immensa superfície concentrada en un espai molt petit podem aplicar el voltatge d’una pila i disminuir enormement l’energia necessària per orientar els dominis magnètics i enregistrar les dades” apunta Jordi Sort, “això suposa un nou paradigma per a l’estalvi energètic en els ordinadors i en la computació i manipulació de dades magnètiques en general”.
 
Els investigadors de la UAB han realitzat els primers prototips de memòries magnètiques nanoporoses basades en l’aliatge de coure i níquel (CuNi) amb resultats molt satisfactoris, tot aconseguint una reducció d’un 35% en la coercitivitat magnètica, una magnitud relacionada amb la despesa energètica necessària per reorientar els dominis magnètics i enregistrar les dades.
 
En aquests primers prototips, els investigadors apliquen el voltatge mitjançant electròlits líquids, però ja estan treballant en materials sòlids que facilitin la implementació en els dispositius del mercat. “Implementar aquest material en les memòries dels ordinadors i dispositius mòbils tindria molts avantatges”, explica Jordi Sort, “principalment un estalvi econòmic directe en la facturació de consum elèctric dels ordinadors i un increment considerable en l’autonomia dels dispositius mòbils”.
 
El desenvolupament de nous dispositius nanoelectrònics amb millor eficiència energètica és una de les línies prioritàries de la Unió Europea en el programa Horitzó 2020. Segons algunes estimacions, si se substituís totalment la utilització de corrent elèctric per voltatge en els sistemes de processament de dades, es reduiria el cost energètic en un factor 1/500. De fet, grans empreses com Google o Facebook tenen els seus servidors informàtics sota el mar o en països nòrdics on la temperatura ambiental és molt baixa, per tal de reduir l’escalfament i la despesa energètica.

En la recerca, que correspon als primers resultats de l’ajut ERC-Consolidator Grant del professor Jordi Sort per al projecte SPIN-PORICS (Merging nanoporous materials with energy-efficient spintronics) (amb un finançament d’1,8 M€), hi han participat: Alberto Quintana, Dra. Jin Zhang, Dr. Eloy Isarain-Chávez, Dr. Enric Menéndez, Prof. Maria Dolors Baró, Dr. Miguel Guerrero i Dra. Eva Pellicer, del Departament de Física de la UAB, qui juntament amb el Prof. Josep Nogués de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (Centre d’Excel·lència Severo Ochoa) han desenvolupat el material nanoporós i han realitzat les mesures magnètiques.  Altres co-autors del treball són: Dr. Ramón Cuadrado, Dr. Roberto Robles i Prof. Pablo Ordejón, de l’ICN2, els quals han desenvolupat els càlculs teòrics per comprendre què passa a l’interior del material; Dr. Salvador Pané i Prof. Bradley Nelson, de l’ETH Zurich, amb qui es va començar a treballar en l’aliatge CuNi; i Prof. C. M. Müller, de la Universitat de Barcelona, qui ha facilitat mesures electroquímiques del material al laboratori del Departament de Ciència de Materials i Química Física.

Article de recerca:
A. Quintana, J. Zhang, E. Isarain-Chávez, E. Menéndez, R. Cuadrado, R. Robles, M. D. Baró, M. Guerrero, S. Pané, B. J. Nelson, C. M. Müller, P. Ordejón, J. Nogués, E. Pellicer, J. Sort. Voltage-Induced Coercivity Reduction in Nanoporous Alloy Films: A Boost toward Energy-Efficient Magnetic Actuation. Adv. Funct. Mater. 2017, 1701904.