Desarrollan un interruptor magnético con menor gasto energético

18/11/2020

Los materiales magnéticos son omnipresentes en la sociedad moderna. Están presentes en casi todos los dispositivos tecnológicos que usamos diariamente. En particular, la electrónica personal, tales como teléfonos inteligentes, relojes, tabletas y ordenadores de sobremesa, depende de materiales magnéticos para almacenar la información. Ésta se almacena en largas cadenas de unos y ceros, el llamado sistema binario que utilizan como lenguaje los ordenadores.

"Si se imaginan un imán en forma barra, el mismo con que muchos de nosotros jugábamos de pequeños (y quizás aún lo hacemos), recordarán que tenían un polo "norte" y un polo "sur" (o tenían dos colores diferentes) cada extremo. Si poníamos dos imanes uno al lado del otro, los mismos polos se repelían y los polos opuestos se atraían. De este modo, se puede asignar un "1" y un "0" en la orientación de un imán, por lo que se puede disponer una larga cadena de imanes en un ordenador para almacenar datos", explica el investigador ICREA en la UAB Jordi Sort, uno de los coordinadores de la investigación.

Actualmente, en la electrónica, cambiar la orientación de un imán (básicamente escribir o reescribir datos) se ha basado en el uso de corriente, la misma corriente necesaria para alimentar los enchufes de casa y cargar el teléfono. Pero hay un problema: cuando la corriente eléctrica pasa por un material, el material se calienta. Este calor es una forma de energía que se pierde en el medio ambiente, esencialmente desperdiciada. La demanda de almacenar cada vez más datos aumenta cada año y hace necesaria la creación de dispositivos cada vez más pequeños, lo que empeora exponencialmente efecto de calefacción, provocando enormes pérdidas de energía. No es de extrañar, pues, que actualmente investigadores de muchos ámbitos diferentes centran las su investigación en el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías eficientes energéticamente para resolver este problema.

Una posible solución a este problema es utilizar materiales magnéticos que se pueden reorientar mediante voltaje eléctrico, sustituir las corrientes eléctricas reduciendo así las pérdidas por calor. Estos materiales se estudian en un campo de investigación llamado magnetismo controlado por voltaje. Hay varias líneas de investigación en este campo, pero una de las más prometedoras es la magneto-iónica, donde las propiedades magnéticas se pueden modificar moviendo átomos no magnéticos dentro y fuera de un material mediante voltaje, alterando así sus propiedades magnéticas.

Un estudio reciente dirigido por los doctores Julius de Rojas, Enrique Menéndez y el profesor ICREA Jordi Sort, del Departamento de Física de la UAB, en colaboración con la Universidad de Grenoble, el HZDR Dresde, el CNM-Madrid, el CNM-Barcelona y el ICN2, y publicado en la revista Nature Communications ha demostrado que es posible activar y desactivar el magnetismo en metales que contienen nitrógeno (es decir, generar o eliminar el magnetismo de este material) con voltaje eléctrico.

En concreto, se ha demostrado que aplicando voltaje eléctrico al nitruro de cobalto (CON), que no es magnético por sí solo, los iones de nitrógeno salen del material dando lugar a una estructura rica en cobalto que es magnética. Con la aplicación de un voltaje de signo contrario, se consigue que el proceso se invierta y los iones de nitrógeno vuelven a nitrurar las zonas ricas en cobalto, haciendo que el material sea no magnético otra vez. Esto no deja de ser una especie de interruptor magnético. Una analogía sería la posibilidad de conseguir que un imán pueda o no engancharse a la nevera (por ejemplo) conectándose una pila y aplicando voltaje de una polaridad concreta, que active o desactive el magnetismo.

Este proceso es reversible y se puede repetir, lo que sugiere que el sistema se podría utilizar como medio para escribir y almacenar datos. Además, este trabajo también demuestra que se requiere menos energía y es más rápido que los sistemas que utilizan átomos alternativos, como el oxígeno, maximizando el ahorro energético.

Referencia

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