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Cómo la espintrónica quiral podría transformar la informática
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Cómo la espintrónica podría revolucionar la informática
Progresivamente, el mundo de la computación de hardware está empezando a mirar más allá de los chips de silicio, o incluso de las formas clásicas de computación binaria en su conjunto.
Esto se debe a que los chips y las memorias habituales en nuestros ordenadores y centros de datos son cada vez más difíciles de construir y la última generación tiene transistores de apenas unos pocos nanómetros de tamaño.
Otro factor es que el consumo de energía se está convirtiendo en un problema a medida que la demanda de potencia informática, en particular para sistemas de IA, sigue creciendo.
Hay muchas soluciones propuestas, siendo la computación cuántica y la fotónica las opciones más destacadas para reducir la demanda de computación o hacerla más rápida y con menor consumo de energía.
Otra es la espintrónica, que utiliza el espín de los electrones, una característica cuántica, en lugar de la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Ventajas y aplicaciones potenciales de la espintrónica
Los componentes electrónicos, como los transistores, se fabrican tradicionalmente con silicio y utilizan semiconductores. Las señales 0 y 1 en binario indican el paso o el bloqueo de una corriente eléctrica.
Una forma alternativa de realizar cálculos es a través de dispositivos espintrónicos, que funcionan con el espín de los electrones (una característica cuántica fundamental) en lugar de con la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Fuente: Perspectiva IAS
Los datos se pueden codificar tanto en el momento angular de espín, que puede imaginarse como una orientación “arriba” o “abajo” incorporada del electrón, como en el momento angular orbital, que describe cómo se mueven los electrones alrededor de los núcleos atómicos.
Debido a que contiene más información que solo 0 y 1, el espín puede contener más datos por átomo que la electrónica tradicional.
La espintrónica tiene algunas otras ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos, en particular:
- Datos más rápidos, ya que el giro se puede cambiar mucho más rápidamente.
- Menos consumo de energía, ya que el espín se puede cambiar con menos energía de la que se necesita para mantener un flujo de electrones para crear una corriente.
- Se pueden utilizar metales simples en lugar de materiales semiconductores complejos.
- El espín es menos volátil que el estado del semiconductor, lo que hace que el almacenamiento de datos sea más estable.
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| Característica | Electrónica tradicional | Espintronica |
|---|---|---|
| Portador de información | Corriente eléctrica (0 o 1) | Espín del electrón (arriba/abajo) |
| Eficiencia energética | Alta demanda de potencia | Menor consumo de energía |
| Speed (Rapidez) | Limitado por el flujo de corriente | Cambio de giro más rápido |
| Materiales | semiconductores complejos | Metales/óxidos simples |
| Estabilidad de los datos | Almacenamiento volátil | Estable, no volátil |
La espintrónica se ha comercializado en cabezales de lectura de discos duros desde la década de 1990, aumentando significativamente la densidad de almacenamiento en las últimas décadas.
“El espín es una propiedad mecánica cuántica de los electrones, que es como un pequeño imán transportado por los electrones, que apunta hacia arriba o hacia abajo.
“Podemos aprovechar el giro de los electrones para transferir y procesar información en los llamados dispositivos espintrónicos”.
Talieh Ghiasi – Investigadora postdoctoral en la Universidad Tecnológica de Delft
Recientemente se han logrado muchos avances en espintrónica, por ejemplo, que La pérdida de espín se puede convertir nuevamente en magnetización, lo que hace que la electrónica espintrónica sea aún más eficiente energéticamente., o que espintrónica y grafeno podrían Impulsar circuitos cuánticos de próxima generación.
Y los científicos siguen descubriendo nuevos métodos para mejorar los dispositivos espintrónicos, como investigadores de la Universidad Nacional de Seúl (Corea del Sur), la Universidad de Corea, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea y la Facultad de Medicina Feinberg (EE. UU.). Crearon nanohélices magnéticas capaces de controlar el espín del electrón, lo que podría dar origen a un nuevo campo de dispositivos denominados "espintrónicos quirales".
Publicaron sus resultados en la prestigiosa revista científica Science1, bajo el título "Transporte selectivo de espín a través de nanohélices ferromagnéticas quirales.
Espintrónica quiral
¿Qué es la quiralidad en la espintrónica?
En la naturaleza, la simetría es una característica fundamental de muchos elementos, incluyendo los componentes del ADN y la propia luz. Es posible que dos moléculas casi idénticas difieran no en su composición o forma, sino en su orientación, un concepto denominado «quiralidad».
La quiralidad se puede explicar en su forma más simple como la forma en que nuestra mano izquierda se diferencia de nuestra mano derecha, a pesar de que ambas manos son idénticas en su forma, estructura y función.
La quiralidad juega un papel fundamental en la biología, ya que la selección natural ha seleccionado exclusivamente moléculas de ADN “diestras”, azúcar y aminoácidos (el componente base de las proteínas).
Sin embargo, es raro en materiales inorgánicos, que tienden a estar desorganizados o a ser cristales sin quiralidad.
Cómo los metales adquieren quiralidad para la espintrónica
Los científicos lograron crear nanohélices magnéticas quirales, tanto levógiras como dextrógiras, controlando electroquímicamente el proceso de cristalización del metal. Se seleccionó una aleación de cobalto y hierro por sus propiedades ferromagnéticas.
Una innovación clave en este proceso es el uso de trazas de moléculas orgánicas quirales, como cinconina o cinconidina, que guiaron la formación de las hélices.
“En metales y materiales inorgánicos, controlar la quiralidad durante la síntesis es extremadamente difícil, especialmente a nanoescala.
“El hecho de que pudiéramos programar la dirección de las hélices inorgánicas simplemente añadiendo moléculas quirales es un gran avance en la química de los materiales”.
Para demostrar la quiralidad de estas nanohélices, midieron los campos electromagnéticos (EMF) generados por las hélices bajo campos magnéticos rotatorios.
Esto crea una manera fácil de probar si el material se produjo correctamente, ya que las hélices izquierdas y derechas produjeron señales EMF opuestas, lo que permitió la verificación cuantitativa de la quiralidad, sin requerir que el material magnético interactúe fuertemente con la luz, la forma habitual de verificar la quiralidad.
Más importante aún, descubrieron que estos metales magnéticos quirales también pueden guiar el espín en consecuencia: permiten preferentemente que pase una dirección de espín, mientras que la opuesta no puede.
“La quiralidad se comprende bien en las moléculas orgánicas, donde la lateralidad de una estructura a menudo determina su función biológica o química”.
Aplicaciones potenciales de la espintrónica quiral
Gracias a la magnetización inherente del material (alineación de espín), se hizo posible el transporte de espín a larga distancia a temperatura ambiente.
Este efecto se mantuvo constante, independientemente del ángulo entre el eje quiral y la dirección de inyección del espín. Dado que no se observó en nanohélices no magnéticas de la misma escala, parece estar directamente relacionado con las hélices magnéticas quirales.
Esto constituiría el primer transporte de espín asimétrico descubierto jamás en un material de escala relativamente macro.
El equipo también demostró un dispositivo de estado sólido que mostraba señales de conducción dependientes de la quiralidad, allanando el camino para aplicaciones prácticas de espintrónica.
“Estas nanohélices alcanzan una polarización de espín superior al ~80%, simplemente por su geometría y magnetismo”.
“Esta es una rara combinación de quiralidad estructural y ferromagnetismo intrínseco, que permite el filtrado de espín a temperatura ambiente sin circuitos magnéticos complejos ni criogenia, y proporciona una nueva forma de diseñar el comportamiento de los electrones mediante el diseño estructural”.
Otra ventaja de esta nueva tecnología es que el proceso de fabricación es relativamente sencillo y barato, y no utiliza materiales raros ni tecnologías complejas.
Creemos que este sistema podría convertirse en una plataforma para la espintrónica quiral y la arquitectura de nanoestructuras magnéticas quirales.
“Este trabajo representa una poderosa convergencia de geometría, magnetismo y transporte de espín, construido a partir de materiales inorgánicos escalables”.
Aún queda mucho por hacer para explorar a fondo el potencial de esta nueva idea y de estos materiales. Por ejemplo, el número de hebras (dobles y múltiples hélices) puede modificarse a voluntad, lo que podría generar características diferentes aún por descubrir.
Se espera que la capacidad de controlar la lateralidad (izquierda/derecha) e incluso el número de hebras (hélices dobles, múltiples) utilizando este método electroquímico versátil contribuya significativamente a nuevas áreas de aplicación.
Entre la facilidad de producción y la posibilidad de transferencia de espín a larga distancia, esto podría ser muy útil para la producción de computadoras y redes totalmente basadas en espín, con ventajas económicas por un menor consumo de energía y un almacenamiento de datos estable.
Invertir en innovadores espintrónicos
1. Tecnologías Everspin
Tecnologías Everspin, Inc. (MRAM + 7.72%)
Everspin es una rama de Freescale (ahora conocida como NXP, cuyo símbolo bursátil es NXPI) dedicada al desarrollo de sistemas de memoria MRAM, la forma más común de espintrónica comercialmente viable en la actualidad. Se escindió y salió a bolsa en 2016.
Everspin se considera el líder de la tecnología MRAM (memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva), heredando la experiencia de Freescale de ser el primero en comercializar un chip MRAM en 2006.
Debido a que MRAM es una memoria que persiste incluso en ausencia de corriente, se utiliza cada vez más en casos de uso sensibles donde los datos críticos son demasiado importantes como para correr el riesgo de perderlos.
Impulsado por aplicaciones omnipresentes como el análisis de datos, la computación en la nube, tanto terrestre como extraterrestre, la inteligencia artificial (IA) y la inteligencia artificial de borde, incluida la IoT industrial, se proyecta que el mercado de memoria persistente crezca a una CAGR del 27.5 % entre 2020 y 2030.
Fuente: Giro eterno
La empresa estima que el mercado alcanzará un tamaño de 7.4 millones de dólares para 2027. La empresa no ha tenido deuda y un flujo de caja libre positivo desde 2021.
Los productos MRAM de Everspin ocupan actualmente un nicho pequeño pero en crecimiento y atienden mercados donde la confiabilidad es crucial, como el sector aeroespacial, los satélites, los registradores de datos, los dispositivos de monitoreo de pacientes, etc.
Fuente: Giro eterno
El crecimiento de los conjuntos de chips, la inteligencia artificial y los sistemas sinápticos también podría ser un impulso a largo plazo para la empresa.
2. Corporación NVE
Corporación NVE (NVEC + 0.75%)
Otro líder de la espintrónica, NVE lleva trabajando en esta tecnología desde su primera patente en tecnología MRAM en 1995Produce espintrónica sensor y aisladores, utilizado principalmente en sistemas de medición y sensores para automóviles, engranajes, dispositivos médicos, fuentes de alimentación y otros dispositivos industriales.
Fuente: NVE
Esto coloca a NVE en una categoría algo diferente a Everspin, siendo NVE más una empresa industrial con una posición fuerte en un nicho de mercado (magnetómetro que utiliza espintrónica), mientras que Everspin es más una empresa de memoria/computación que trabaja con y en competencia con empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba y Samsung, que también están desarrollando su propio producto MRAM.
Puede hacer que las acciones sean más (o menos) atractivas dependiendo de los perfiles de los inversores, y es más probable que las acciones de NVE atraigan a inversores más conservadores que buscan un rendimiento de dividendos y seguridad.
Estudios referenciados
1. Yoo Sang Jeon, Et al. Transporte selectivo de espín a través de nanohélices ferromagnéticas quirales. Ciencias:. 4 septiembre 2025 . Vol. 389, número 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/ciencia.adx5963
