El Grafeno Hace que Skyrmions se Acerque a la Realidad del Almacenamiento de Datos

[box type=»note» align=»aligncenter» class=»» width=»»]La adición de una capa de grafeno a materiales magnéticos como el cobalto o el níquel podría producir una nueva forma de almacenamiento de datos. Las configuraciones de espín de los átomos de carbono, cobalto y níquel (representados como bolas rojas, púrpuras y verdes) se representan como flechas en este diagrama.

Este año se celebra el 30 aniversario de cuando Albert Fert, de Francia, y Peter Grünberg, de Alemania, descubrieron de forma independiente que las capas de materiales, de una manera particular, crearon un fenómeno que se conoció como magnetorresistencia gigante (RMG). La RMG siempre ha sido una apertura al mundo que ahora llamamos «espintrónica», en la que el espín de los electrones, en lugar de la carga, se utiliza para codificar la información.

Uno de los resultados más visibles y ubicuos del descubrimiento de GMR es la unidad de disco duro basada en GMR en nuestros ordenadores que puede contener miles de fotos, vídeos y canciones. En otras palabras, el descubrimiento de la RMG ha transformado nuestras vidas.

Ahora, un equipo internacional de investigadores de Estados Unidos y Europa -con el contingente europeo que incluye una vez más a Fert- ha encontrado un nuevo fenómeno material al estratificar el grafeno con materiales magnéticos que podría conducir a una nueva era en la espintrónica que los investigadores han denominado «spin-orbitronics».

En una investigación descrita en la revista Nature Materials, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de Estados Unidos y de la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia han descubierto que cuando se agrega un recubrimiento de grafeno a los materiales magnéticos, como el cobalto o el níquel, la combinación de propiedades electrónicas y magnéticas crea el ingrediente esencial para desencadenar patrones de remolinos en la interfaz de donde se encuentran estos materiales.

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Estos patrones de remolinos se conocen como skyrmions y, durante los últimos cinco años, se han considerado una forma potencial de almacenar y borrar datos en medios magnéticos. Las perspectivas de skyrmions como medio de almacenamiento de datos aumentaron a principios de este año cuando otro grupo de investigadores demostró por primera vez que un solo skyrmion podía ser detectado eléctricamente a temperatura ambiente.

Para crear estos skyrmions, se necesita una interacción muy fuerte entre los electrones de las capas de materiales. Estas interacciones se conocen como interacciones Dzyaloshinskii-Moriya (DMIs). Estos DMIs típicamente ocurren en la interfaz entre una película magnética y un metal pesado. El mecanismo DMI involucra a los electrones del metal pesado interactuando con los espines de los átomos en la capa magnética, y que tienen acoplamiento en órbita de espín con los sitios de metal pesado. Aquí es donde obtenemos el término «spin-orbitronics» de los investigadores.

En esta última investigación, los científicos descubrieron que no necesitaban un metal pesado con capas de películas magnéticas para crear el efecto DMI, pero que el grafeno podría hacer el truco. De hecho, el gráfico -que había sido considerado un mal candidato para producir este efecto DMI porque es un material de acoplamiento de órbita giratoria débil- produjo un efecto DMI tan grande que podía cambiar la quiralidad -en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario- de los electrones.

«Nuestro trabajo abre una ruta adicional hacia la observación de los skyrmiones en materiales basados en gráficos que han sido de gran interés para la espintrónica del grafeno», dijo Mairbek Chshiev, profesor de la Universidad de Grenoble Alpes y coautor de la investigación. «Hemos demostrado que las estructuras ferromagnéticas/graphene proporcionan un gran DMI, que es un ingrediente esencial para los skyrmions.»

Este gran DMI en el material ferromagnético/graphene significa que es capaz de cambiar la dirección de espín del electrón (o quiralidad) del material magnético tan completamente que todo el material podría tener su quiralidad cambiada en una dirección y luego otra de una manera muy controlada, ofreciendo un método para duplicar el «0» y el «1» de la lógica digital.

Este descubrimiento todavía nos deja lejos de un dispositivo del mundo real que pueda explotar el fenómeno para el almacenamiento de datos. «Para hacer un dispositivo real, hay muchas cosas que hacer en el futuro», dijo Hongxin Yang, coautor del trabajo e investigador postdoctoral en SPINTEC, CEA & CNRS, ahora en NIMTE, CAS.

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Además del DMI, Yang cree que un dispositivo futuro también necesitará anisotropía magnética perpendicular, lo que significa que la orientación de la magnetización tiene una dirección preferida, en este caso una perpendicular. Yang agregó que el dispositivo también puede necesitar magnetoresistencia de túnel para leer la información: las uniones magnéticas del túnel forman la columna vertebral de las cabezas de lectura en las unidades de disco duro GMR.

Nota del editor: Esta historia fue actualizada el 2 de junio para corregir que Peter Grünberg era de Alemania, no de Suiza. Además, Hongxin Yang es becario postdoctoral en el CEA, y no tecnólogo principal en Avalanche Inc. El 3 de junio se eliminó la referencia a los discos duros basados en el GMR que se utilizan en los teléfonos inteligentes. Este sistema de almacenamiento de datos se utilizaba en los iPods originales, pero actualmente no se utiliza para teléfonos inteligentes.