Memorias ferromagnéticas: descubren bucles de flujo sólo predichos teóricamente

Las memorias ferromagnéticas están llamadas a ser el futuro de la industria informática, por combinar las ventajas de memorias de estado sólido (rapidez y ser compactas) con las de los discos duros (elevado volumen de información y no se borran al cortar la electricidad).

Según publica Science, científicos alemanes han conseguido por primera vez ver a nivel atómico, con una precisión sin precedentes, los mecanismos físicos en los que se basan estas memorias, descubriendo de camino una estructura de dipolos que no se creía posible y que permitirá ~~duplicar~~ incrementar la densidad de las células de memoria en futuros chips.

Los cientificos, del instituto Max Planck de física de microestructuras y del Forschungszentrum Julich, han observado los dipolos eléctricos que se producen en el material ferroeléctrico con un nuevo microscopio electrónico que posee una capacidad de resolución increible: discierne detalles de unos pocos picometros (10^-12m). Estamos hablando de que un átomo típico tiene un «diámetro» de 10^-10m, luego se pueden distinguir los átomos individuales perfectamente.

Los bits son almacenados en forma de polarización de los materiales ferroeléctricos de las celdas unitarias, la estructura elemental de memoria. Es decir, que un campo eléctrico desplaza ligeramente los átomos cargados positiva y negativamente uno con respecto al otro, de forma que se crea un dipolo. Éste se mantiene, es estable, hasta que se aplique un voltaje inverso, que invertirá el sentido del dipolo.

Cada bit se guarda en un área determinada, lo que los físicos llaman «un dominio», del material. La zona de cada bit se caracteriza porque todos los dipolos tienen la misma orientación. Lo que los científicos han descubierto ahora es que esta polarización se mantiene estable incluso para dominios muy pequeños.

El material usado en el estudio se llama PZT (titanato zirconato de plomo), y contiene átomos de plomo, oxígeno, titanio y zirconio. Usando el nuevo microscopio electrónico se han observado la posición por un lado, de los átomos de plomo, y los de titanio y zirconio por otro. El desplazamiento entre ellos define el dipolo que está guardando el valor del bit.

La siguiente imagen muestra (izquierda) la imagen del microscopio, donde se ven los átomos ligeramente desplazados unos con respecto de otros, y (derecha) la reconstrucción de la imagen con los dipolos claramente dibujados. En esta sección del material se distinguen tres dominios claros:

Muestra del material ferroeléctrico PZT visto al TEM y mostrando los diferentes dominios (Click para ampliar)

Los científicos repitieron este proceso para las secciones transversales de cada una de las 250 células de memoria bajo estudio. Estas secciones son de unos meros 40 átomos de espesor.

Para poder distinguir los bordes de esta diminuta estructura, se añadió una capa marcadora de dióxido de rutenio, que se puede reconocer en el microscopio (aparece como RuO2) en la figura de arriba.

Pero cerca del límite con dicho borde, ocurrió algo que no esperaban: apareció un nuevo dominio de sólo unos pocos nanometros cuadrados, en que la orientación de los dipolos rotaba 180º continuamente.

Cámara en que se construye el material PZT mediante deposición controlada por láser (Max Planck).

Knut Urban dijo que este tipo de circuitos cerrados de flujo se conocen de los materiales magnéticos (este proceso es el que ocurre a pequeña escala para mantener el campo magnético en un imán, por ejemplo), y había sido predicho teóricamente para materiales ferromagnéticos. Pero nadie creía que existieran realmente. La razón: una cuestión energética. Una cosa es el magnetismo, donde solamente hay que reorientar electrones, lo que no cuesta apenas energía. Pero otra cosa muy distinta es reorientar todos los dipolos de una celda, lo que implica desplazar átomos completos.

Hasta ahora, los físicos daban por hecho que una celda más pequeña que 20x20nm perdería su polarización, al ser éste un fenómeno colectivo que requiere de bastantes átomos.

Sin embargo, de alguna manera, la naturaleza permite que existan dipolos en estructuras circulares tan pequeñas como 10x10nm, así que habrá que intentar aprovecharlos para aumentar la densidad de futuros sistemas de almacenamiento de información.

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