Control de la electrónica mediante fotoexcitación: ¿la magnetita marcará el comienzo de los dispositivos de próxima generación?

El potencial de la espintrónica

Los componentes electrónicos, como los transistores, se construyen tradicionalmente con silicio y dependen de semiconductores. Las señales 0 y 1 en binario indican el paso o bloqueo de una corriente eléctrica. Una forma alternativa de realizar cálculos son los dispositivos espintrónicos que funcionan con el espín de los electrones (una característica cuántica fundamental) en lugar de con la corriente eléctrica (flujo de electrones).

La espintrónica tiene algunas ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos., en particular:

• Datos más rápidos, ya que el giro se puede cambiar mucho más rápido.
• 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.

La espintrónica se utiliza especialmente para discos duros y ha permitido que la capacidad de almacenamiento crezca durante la última década.

Un material ya utilizado en espintrónica es magnetita, un mineral natural compuesto de oxígeno y dos formas de hierro en diferentes niveles de oxidación.

Fuente: británico

A pesar de que la magnetita es conocida desde hace décadas por sus propiedades magnéticas, aparentemente aún queda mucho por aprender sobre ella.

Investigadores de la EPFL en Suiza han descubierto que los láseres pueden crear nuevos cambios de fase en la magnetita que hasta ahora eran desconocidos. Esto, a su vez, podría dar lugar a una nueva generación de equipos electrónicos.

Las propiedades ocultas de la magnetita

Los investigadores se centraron en la magnetita debido a sus propiedades de metal como aislante, lo que le permite pasar de ser conductora de electricidad a bloquearla. Esto también se conoce como transición de fase, donde las propiedades de un material cambian repentinamente de una etapa a otra, un poco como el agua líquida puede convertirse en hielo, con propiedades muy diferentes.

Utilizando dos tipos diferentes de láseres, uno que emite luz a 800 nm y otro a 400 nm (luz infrarroja y visible), descubrieron que aparecían en la magnetita nuevas fases que no habían sido identificadas hasta ahora.

No se trata de una cuestión trivial, ya que los investigadores tuvieron que detectar cambios que se producían en un período de tiempo infinitamente pequeño. Para ello utilizaron una técnica llamada Difracción de electrones ultrarrápida (UED), lo que les permitió observar los movimientos de los átomos que duran menos de un picosegundo o una billonésima de segundo.

Cambiar la configuración espacial

Normalmente, la estructura atómica de la magnetita es una red monoclínica, donde la celda unitaria tiene la forma de una caja sesgada con tres aristas desiguales. Dos de sus ángulos son de 90 grados, mientras que el tercero es diferente.

Fuente: ACS

La luz de 800 nm hace que la estructura atómica de la magnetita se comprima, convirtiéndola en una estructura cúbica. La observación ultrarrápida mostró a los investigadores que esto ocurrió a través de un proceso de 3 etapas.

En cambio, los 400 nm hicieron que la estructura atómica del metal se expandiera, creando una configuración muy estable, convirtiéndolo en un aislante muy estable.

Esta configuración es diferente del equilibrio estable de la magnetita previamente conocido y proporciona una visión profunda de lo que realmente sucede durante la transición del metal al aislante.

Nuevos sistemas electrónicos

Este descubrimiento significa que es posible cambiar el efecto sobre el giro y la corriente de la magnetita simplemente con luz láser.

Gracias a sistemas láser muy rápidos, se podría permitir que el pulso de fotones cambie rápidamente y de forma controlada la naturaleza del material metálico.

“Nuestro estudio abre caminos para un enfoque novedoso para controlar la materia en una escala de tiempo ultrarrápida utilizando pulsos de fotones personalizados.

Ser capaz de inducir y controlar fases ocultas en la magnetita podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de materiales y dispositivos avanzados.

Por ejemplo, los materiales que pueden cambiar entre diferentes estados electrónicos de manera rápida y eficiente podrían usarse en dispositivos informáticos y de memoria de próxima generación”.

Mejor memoria

La espintrónica y la magnetita son nuevas fronteras para los fabricantes de sistemas electrónicos. Lo que comenzó en un disco duro ahora se está expandiendo a otros sistemas de memoria.

Por ejemplo, la memoria de acceso aleatorio (DRAM) podría sustituirse por RAM magnética (MRAM). La primera versión de este concepto es un producto ya comercializado por Giro eterno y ha sido utilizado en aviones Airbus, gracias a su resistencia a los cambios de temperatura así como a la radiación cósmica en comparación con los sistemas de memoria tradicionales.

Otra ventaja de la MRAM es su menor tamaño y menor consumo de energía, lo que significa hasta un 80% menos de demanda de energía. Esto puede permitir que MRAM se incorpore como memoria caché en procesadores con una mayor capacidad total mientras consume menos energía y genera menos calor, convirtiéndose tanto el espacio como el calor en factores limitantes clave en la mejora del procesador.

¿Fotónica?

El uso del láser en las condiciones cambiantes de la magnetita recuerda el creciente campo de la fotónica, una de las opciones que discutimos. en nuestro artículo sobre empresas que llevan la computación más allá de los sistemas semiconductores.

Un sistema que ya utiliza láser y luz para realizar cálculos podría beneficiarse enormemente de un sistema de memoria basado en el cambio de fase de la magnetita inducido por la luz. Esto podría permitir convertir el resultado del cálculo directamente en datos con un consumo de energía mínimo en pasos intermedios y una ralentización del proceso.

Empresas de espintrónica

1. Tecnologías Everspin

Everspin es la rama de Freescale (actualmente llamada NXP, símbolo bursátil NXPI) que se dedica al desarrollo de sistemas de memoria MRAM. Se escindió y se hizo pública en 2016.

Everspin se considera el líder de la tecnología MRAM, 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 usa cada vez más en casos de uso sensibles donde los datos críticos son importantes.

Impulsado por aplicaciones generalizadas como el análisis de datos, la computación en la nube, tanto terrestre como extraterrestre, la inteligencia artificial (IA) y la IA perimetral, incluida la IoT industrial, se prevé que el mercado de la memoria persistente crezca a una tasa compuesta anual del 27.5 % entre 2020 y 2030.

Giro eterno

Fuente: Giro eterno

La empresa estima que el mercado alcanzará un tamaño de 7.4 millones de dólares para 2027. La empresa no tiene deuda y tiene 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 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

Otro líder de la espintrónica, NVE lleva trabajando en esta tecnología desde su primera patente en tecnología MRAM en 1995.

Produce 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 la de 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 y compite con empresas similares. de Intel, Qualcomm, Toshiba y Samsung también desarrollan su propio producto MRAM.

Esto puede hacer que las acciones de NVE sean más (o menos) atractivas según el perfil de los inversores, siendo más probable que estas atraigan a inversores más conservadores que buscan algún rendimiento de dividendos y seguridad.