El Efecto Hall Anómalo en un Cristal Antiferromagnético Podría Permitir la Computación con Espín Atómico

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

Los cálculos digitales se basan en la capacidad de leer, escribir y borrar un estado de encendido y apagado en un material, que representa el "0" y el "1" de los datos binarios. En los circuitos integrados actuales, esto se consigue a través de los transistores, que son materiales semiconductores -como el silicio o el germanio (elementos tetraédricos)- que pueden conmutar las señales eléctricas a un estado de "encendido" o "apagado" y, por lo tanto, funcionan como el estado binario, o puerta lógica en un cálculo digital.

De este modo, los transistores de óxido metálico -silicio- de los circuitos integrados, forman las células de memoria de los chips, y debido a su relativa facilidad de fabricación, escalabilidad y bajo consumo, estos chips se encuentran en casi todos los dispositivos electrónicos digitales, desde los smartphones hasta los televisores. No se puede exagerar el efecto a escala de la civilización de este material funcional con un estado binario fácilmente controlable, ya que incluso la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos lo califica de "invento innovador que transformó la vida y la cultura en todo el mundo" [1].

La capacidad de miniaturizar los transistores y empaquetar cada vez más en una oblea de silicio ha sido una de las principales fuerzas impulsoras del aumento de la potencia y la capacidad de cálculo. Sin embargo, se acerca un cierto umbral en el que la continua miniaturización exigirá pronto el control de estados binarios (el estado "0" y "1") de átomos individuales o incluso de partículas subatómicas. Esto introduce una serie de retos considerables, ya que los científicos intentan averiguar cómo lograr cálculos binarios utilizando los estados cuánticos de la materia.

Una posibilidad interesante es acceder al estado de espín del átomo o del electrón, una forma de computación llamada espintrónica, en la que la quiralidad o "handedness" (spin-up o spin-down) de un electrón y el acoplamiento asociado de carga-espín en un material pueden utilizarse como un estado adicional, además del estado de carga, para operaciones de lectura/escritura. Los sistemas espintrónicos tienen implicaciones prometedoras para los avances en computación cuántica, computación neuromórfica (véase nuestro reciente artículo Novel Material Found to Contain Electronically Accessible Continuous Memory), y el almacenamiento masivo de datos. Al igual que la adhesión a la memoria continua de la que hablábamos en el artículo anterior, la espintrónica es una técnica que se acerca más a la forma en que el maestro de la nanoingeniería -el sistema biológico- procesa la información; véase el artículo del Dr. Olivier Alirol, físico de RSF, sobre la forma efectiva de conducir electrones de la naturaleza, para aprender más sobre la espintrónica y el filtrado selectivo de espín inducido por macromoléculas en el organismo vivo.

Para la realización tecnológica de sistemas basados en la espintrónica, una clase de materiales únicos llamados antiferromagnéticos tiene interesantes aplicaciones potenciales. A diferencia de los ferromagnéticos ordinarios, que tienen un campo magnético accesible desde el exterior, los antiferromagnéticos tienen un orden magnético intrínseco pero sólo un campo magnético externo de interacción débil o insignificante. Esta propiedad es muy útil en el almacenamiento de memoria de alta densidad, ya que los campos cuánticos externos que interactúan se convierten en un problema importante con la miniaturización de los componentes de bits, ya que las células de memoria adyacentes pueden interferir.

Así, los antiferromagnéticos ofrecen funcionalidades tecnológicas muy atractivas, como:

• Insensibilidad a las perturbaciones que dañan los datos por los campos parásitos debido a la magnetización externa neta cero; [2].
• Ningún efecto sobre las partículas cercanas, lo que implica que los elementos. antiferromagnéticos del dispositivo no perturbarían magnéticamente a sus elementos vecinos;  
• Tiempos de conmutación mucho más cortos (la frecuencia de resonancia antiferromagnética está en el rango de los THz en comparación con la frecuencia de resonancia ferromagnética en GHz); [3].
• Amplia gama de materiales antiferromagnéticos comúnmente disponibles, incluyendo aislantes, semiconductores, semimetales, metales y superconductores.

Un material notable que podría permitir algún día esa memoria de carga-espín acoplada es el semimetal Mn₃Sn, un cristal antiferromagnético conocido por su efecto Hall anómalo casi sin magnetización. El efecto Hall es un efecto fundamental en física en el que un portador de carga experimenta una deriva transversal a la dirección de conducción eléctrica y perpendicular a un campo magnético externo. En el efecto Hall anómalo se produce la misma deriva ortogonal, pero en ausencia de un campo magnético externo, este surge del campo magnético intrínseco que surge en la estructura reticular del material conductor. El efecto Hall anómalo es, por tanto, una potente modalidad para sondear las propiedades y comportamientos únicos de los antiferromagnéticos, como el piezomagnetismo.

Al igual que su homólogo eléctrico, el efecto piezoeléctrico, en el que se inducen corrientes eléctricas a partir de una tensión mecánica o viceversa -cuyo material más relevante desde el punto de vista tecnológico es el cristal de cuarzo, en el que las propiedades piezoeléctricas se utilizan para formar la puerta de tiempo en las unidades centrales de procesamiento y la alta precisión de los relojes atómicos-, el piezomagnetismo asocia la tensión mecánica en cristales antiferromagnéticos con la inducción espontánea de un momento magnético o, a la inversa, una deformación física al aplicar un campo magnético.

Anteriormente, la experimentación con el piezomagnetismo se limitaba a los aislantes antiferromagnéticos a temperaturas criogénicas (como comentamos en el artículo construcción de nanotubos de carbono superconductores guiada por el adn, las propiedades fenomenales de los materiales que sólo se dan a temperaturas ultrafrías tienen una aplicabilidad tecnológica limitada).  Ahora, un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Tokio, la Universidad de Birmingham y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos ha informado en la revista Nature Physics del descubrimiento de un gran piezomagnetismo en el Mn₃Sn a temperatura ambiente [4].

El equipo internacional de investigadores descubrió que el efecto Hall anómalo puede ajustarse con precisión aplicando una pequeña tensión uniaxial al cristal antiferromagnético, de modo que el piezomagnetismo puede utilizarse para controlar el efecto Hall anómalo en el Mn₃Sn de forma distinta a la magnetización mediante la tensión uniaxial (el control funcional convencional del efecto Hall anómalo se consigue aplicando un campo magnético externo).

Imagen: estados magnéticos locales de Mn₃Sn, representados como puntos en un reloj; los estados impares son los estados básicos.

Dado que el Mn₃Sn no es un antiferromagnético perfecto, retiene un campo magnético externo débil. Aplicando una tensión al cristal y aumentando el campo magnético externo, los investigadores pudieron demostrar que no había ningún efecto correspondiente en el voltaje a través del material y que, por tanto, es la disposición de los electrones giratorios dentro del material la responsable del efecto Hall anómalo.

Imagen: Ilustración del efecto piezomagnético en el Mn₃Sn.

Como afirma el coautor del artículo, el Dr. Clifford Hicks "Estos experimentos demuestran que el efecto Hall está causado por las interacciones cuánticas entre los electrones de conducción y sus espines. Los hallazgos son importantes para comprender -y mejorar- la tecnología de las memorias magnéticas".[Scientists unravel ‘Hall effect’ mystery in search for next generation memory storage devices].

La capacidad de seguir empaquetando más y más células de memoria en chips integrados cada vez más pequeños, requerirá un nivel fino de control sobre las propiedades cuánticas de los materiales y la comprensión de cómo controlar el efecto Hall anómalo y la conmutación piezomagnética, como se ha demostrado en este último descubrimiento, esto ofrecerá avances significativos en el campo de la tecnología de la memoria magnética y la espintrónica. Ahora sabemos que el efecto Hall anómalo puede controlarse, tanto su signo como su magnitud, a través de los desplazamientos de la red inducidos por la tensión y la anisotropía electrónica resultante en ciertos materiales, como el cristal antiferromagnético Mn₃Sn.

El profesor Satoru Nakatsuji y el profesor asociado al proyecto Tomoya Higo, del Departamento de Física de la Universidad de Tokio, coautores del artículo de Nature Physics, comentaron además el notable descubrimiento de su equipo:
"Al igual que los ferromagnéticos, las propiedades magnéticas de los antiferromagnéticos surgen del comportamiento colectivo de las partículas que los componen, en particular de los espines de sus electrones, algo análogo al momento angular. Ambos materiales pueden utilizarse para codificar información cambiando grupos localizados de partículas constituyentes. Sin embargo, los antiferromagnéticos tienen una clara ventaja en la alta velocidad a la que pueden realizarse estos cambios en los estados de espín que almacenan información, a costa de una mayor complejidad".

"Ya existen algunos dispositivos de memoria espintrónica. La MRAM (memoria magnetorresistiva de acceso aleatorio) se ha comercializado y puede sustituir a la memoria electrónica en algunas situaciones, pero se basa en la conmutación ferromagnética. Después de considerables pruebas y errores, creo que somos los primeros en informar del éxito de la conmutación de los estados de espín en el material antiferromagnético Mn3Sn utilizando el mismo método que el empleado para los ferromagnéticos en la MRAM, lo que significa que hemos engatusado a la sustancia antiferromagnética para que actúe como un simple dispositivo de memoria". [Magnetic memory milestone: Developments in the field of spintronics promise faster, more efficient devices]

Según el equipo de investigación, el control de la tensión del efecto Hall anómalo engendra medios adicionales para controlar los antiferromagnéticos, complementarios al control que utiliza el campo magnético y la corriente eléctrica. Como afirma el equipo internacional de investigación en su artículo "dado el reciente informe sobre el gigantesco aumento óptico de los THz [5], así como la perspectiva de la espintrónica antiferromagnética, el efecto piezomagnético puede resultar útil para facilitar el funcionamiento ultrarrápido de los antiferromagnéticos".

Referencias

[1] "Remarks by Director Iancu at the 2019 International Intellectual Property Conference". United States Patent and Trademark Office. June 10, 2019. Retrieved August 29, 2022.

[2] Jungwirth, T.; Marti, X.; Wadley, P.; Wunderlich, J. (2016). "Antiferromagnetic spintronics". Nature Nanotechnology. Springer Nature. 11 (3): 231–241.  doi:10.1038/nnano.2016.18

[3] Gomonay, O.; Jungwirth, T.; Sinova, J. (21 February 2017). "Concepts of antiferromagnetic spintronics". Physica Status Solidi RRL. Wiley. 11 (4): 1700022. arXiv:1701.06556

[4] M. Ikhlas et al., “Piezomagnetic switching of the anomalous Hall effect in an antiferromagnet at room temperature,” Nat. Phys., pp. 1–8, Aug. 2022, doi: 10.1038/s41567-022-01645-5

[5] Ankit S Disa et al. “Polarizing an antiferromagnet by optical engineering of the crystal field”. In: Nat. Phys. 16.9 (2020), pp. 937–941.