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Un nuevo giro en la informática
Los investigadores están realizando un esfuerzo creciente para encontrar una manera de hacer que la espintrónica, la manipulación del espín de los electrones para hacer informática, sea práctica. La promesa es clara: la espintrónica podría conducir a computadoras que se encienden instantáneamente y dispositivos electrónicos que consuman mucha menos energía de la batería, y también superar los límites inminentes de la Ley de Moore. Pero los desafíos de usar espintrónica para operaciones lógicas también son abrumadores. Uno de los más importantes es encontrar el material adecuado para construir circuitos prácticos. Durante varios años, los investigadores han estado estudiando semiconductores como el arseniuro de galio, dopado con elementos como el manganeso para hacerlos magnéticos. Pero esos funcionan solo en temperaturas por debajo de 120 ° C aproximadamente, lo que difícilmente es una opción para las computadoras de todos los días.
Científico investigador del MIT Jagadeesh Moodera y su equipo han desarrollado un material que funciona a temperatura ambiente y es fácil de crear. El material es óxido de indio, que es similar al material utilizado para conducir la carga en la pantalla táctil de un cajero automático, con una pequeña cantidad de cromo agregado para hacerlo magnético. Otros materiales que podrían funcionar, dice Moodera, incluyen el óxido de zinc, ampliamente utilizado en protectores solares, y el óxido de titanio. El semiconductor magnético polarizaría el espín de los electrones, que luego fluyen hacia el chip de silicio donde los circuitos los usarían para realizar cálculos, mientras que un detector, probablemente hecho del mismo material que el inyector de espín, los leería a medida que fluyen.
El material necesita más desarrollo antes de que pueda probarse en un circuito real. Pero Don Heiman , profesor de física en la Northeastern University, considera que la creación de un semiconductor magnético que funciona a temperatura ambiente es un gran avance.
De hecho, dice Moodera, quedan varios años de trabajo por hacer para construir un chip de computadora práctico basado en espintrónica. Por ejemplo, no está claro cómo interactúan el silicio y el óxido de indio en el punto donde se tocan. Es muy difícil controlar la forma del material en esa interfaz, que tiene aproximadamente dos capas atómicas de espesor, y es posible que las diferencias entre los dos materiales puedan hacer que los espines de los electrones pierdan su polarización. Se necesitará una buena cantidad de investigación básica solo para comprender lo que sucede en la interfaz, dice Moodera, y más trabajo para aprender a controlarla. Y una vez que hayan construido un inyector de giro que funcione, los investigadores aún tendrán que diseñar un detector de giro y el transistor.
Los circuitos basados en espines son intrigantes porque agregan una nueva dimensión a la informática. Mientras que la computación electrónica se basa en la carga negativa del electrón, el encendido y apagado rápido de la corriente para hacer que el 1 arena 0 En el mundo digital, la espintrónica se basa en la creciente capacidad de los científicos para manipular otra propiedad de la mecánica cuántica del electrón, una propiedad conocida como espín. Eso es importante para una industria de chips de computadora que espera un momento en el que no podrá hacer circuitos más pequeños. Los chips de computadora actuales emplean transistores de silicio inscritos con líneas de menos de 100 nanómetros de espesor. Los fabricantes de chips continúan reduciendo el tamaño de los transistores para colocar más de ellos en un chip, pero una vez que bajan a unos pocos nanómetros de tamaño, comenzarán a perder electrones. Moodera y otros esperan que la espintrónica les permita hacer más computación con la misma cantidad de transistores.
En un semiconductor normal, el espín de un electrón se organiza al azar; uno apunta de esta manera, uno apunta a eso. Pero cuando la mayoría de los electrones tienen el mismo giro, el resultado es un campo magnético. Eso significa que cualquier chip de computadora en el que se controlen los giros puede funcionar como una memoria no volátil, porque el giro permanece igual hasta que una fuerza externa actúa para cambiarlo. Debido a que la memoria no es volátil, lo que significa que no requiere un flujo de corriente para mantener la actualización de la información, utiliza mucha menos energía eléctrica, lo que permite que las baterías duren más y reduce la posibilidad de sobrecalentamiento. También permite que un transistor use tanto la carga como el giro y funcione como una puerta lógica y una memoria. Un chip de computadora podría realizar las mismas tareas con menos circuitos, dejando espacio para agregar circuitos adicionales sin tener que hacer los dispositivos aún más pequeños.
Los dispositivos espintrónicos ya existen; Los discos duros almacenan mucha más información que hace una década, porque Moodera y otros desarrollaron cabezas de lectura basadas en espintrónica que pueden detectar pequeños cambios en el magnetismo, lo que permite que se empaqueten porciones de datos más abundantes y más pequeños en el mismo espacio. Y una empresa ha comenzado a vender memoria magnética de acceso aleatorio, otra tecnología basada en espines, que no requiere un flujo de corriente para almacenar datos.
Pero para aplicar la espintrónica a los circuitos lógicos, los científicos tienen que descubrir cómo poner el giro que quieren en el transistor y cómo detectarlo en el otro lado una vez que el circuito lo ha manipulado. Quieren una película delgada que puedan colocar encima del semiconductor y en la que puedan usar el campo magnético para alinear el espín de los electrones, antes de transportar esos electrones alineados al semiconductor. El óxido de indio de Moodera es un candidato potencial para una película de este tipo, una vez que la comprende completamente y puede descubrir cómo optimizarla.
Moodera no está dispuesto a predecir cuánto tiempo llevará construir un circuito espintrónico práctico, aunque estima que miles de científicos en los Estados Unidos, Asia y Europa están trabajando en él: podrían ser 10 años, podrían ser seis. Es difícil de decir. Pero señala cómo la espintrónica ha mejorado los discos duros desde capacidades de unos pocos megabytes hace 15 años, cuando nadie había pensado en usar espintrónica, a los iPod actuales que le permiten llevar una unidad de 60 gigabytes en el bolsillo. Soy un investigador optimista, dice.