Del caos al orden: los vórtices magnéticos están redefiniendo el almacenamiento de datos

Investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona han desarrollado un nuevo tipo de memoria para computadoras basada en un fenómeno inusual: el vórtice magnetoiónico, bautizado como vortion. Esta innovación llega en un momento clave: cada día, la humanidad genera 2,5 quintillones de bytes de datos, y la necesidad de almacenarlos de manera eficiente se vuelve cada vez más urgente.

Hoy en día, la grabación de datos se basa en materiales con propiedades magnéticas. En estos sistemas, los bits (ceros y unos) son representados por los momentos magnéticos de los átomos, que actúan como diminutas brújulas apuntando en dos direcciones posibles. Para modificar o leer estos estados, se aplica corriente eléctrica al material. Sin embargo, este enfoque genera calor y pérdidas de energía considerables.

Los científicos han explorado durante mucho tiempo el uso de estructuras magnéticas en espiral para el almacenamiento de información. Sin embargo, en lugar de usar películas continuas, los físicos de Barcelona optaron por una estrategia diferente: crearon diminutos elementos circulares, denominados nanopuntos, con un diámetro menor al grosor de un cabello. Esta configuración permite un control preciso sobre el comportamiento de cada momento magnético.

Los nanopuntos están fabricados con una aleación de hierro, cobalto y nitrógeno. En su estado original, este material no exhibe propiedades magnéticas significativas: sus átomos apenas reaccionan a los campos externos. Sin embargo, los investigadores descubrieron un método para modificar sus características de manera radical.

Un electrodo con carga negativa se coloca en la base del nanopunto. Bajo la influencia del campo eléctrico generado, los iones de nitrógeno cargados negativamente abandonan el material y se disuelven en un electrolito circundante. Como resultado, los átomos restantes de hierro y cobalto adquieren la capacidad de alinear sus momentos magnéticos de manera ordenada bajo la influencia de un campo externo.

El movimiento de los iones de nitrógeno sigue un patrón predecible: comienza en la base y avanza gradualmente hacia la parte superior del nanopunto. Esto crea una capa de material transformado que se expande con el tiempo, como si fuera un cristal en crecimiento.

A medida que esta capa se desarrolla, los momentos magnéticos se reorganizan espontáneamente en una estructura en forma de torbellino con un núcleo central. Esta configuración única fue nombrada vortion por los investigadores. Su estructura permite un ajuste extremadamente preciso de las propiedades magnéticas del material con un consumo de energía mínimo.

Las características del vortion pueden ajustarse modificando la duración de la aplicación del voltaje. Cuanto más tiempo se aplica el campo eléctrico, más iones abandonan el material y más fuerte se vuelve la capa transformada. En una serie de experimentos, los físicos expusieron las muestras a diferentes intensidades de campo magnético y descubrieron que incluso pequeños cambios en el tiempo de aplicación del voltaje generaban variaciones significativas en las propiedades magnéticas del material.

Los investigadores identificaron tres parámetros clave que pueden controlarse con precisión: la intensidad de la magnetización, el tiempo necesario para la formación y disipación del vórtice después de activar o desactivar el voltaje, y la resistencia del estado magnético a las influencias externas. Los experimentos demostraron un control sin precedentes sobre estas características, con la ventaja de que todos los cambios eran completamente reversibles.

"El paso del control basado en corriente al control mediante voltaje elimina el problema del sobrecalentamiento en computadoras portátiles, servidores y centros de datos. Esto nos permite reducir drásticamente las pérdidas de energía", explica la directora del estudio, la doctora Irena Spasojevic.

Al ajustar el tiempo de aplicación del voltaje, los físicos lograron cambiar el material de un estado no magnético a un estado magnetizado uniforme y, posteriormente, a una estructura en vórtice. Pero el verdadero avance radica en otro aspecto: cada propiedad magnética del material puede adoptar múltiples valores.

Por ejemplo, si se establecen con precisión ocho niveles distintos de magnetización, un solo nanopunto puede almacenar ocho valores diferentes, superando con creces la clásica representación binaria de ceros y unos.

Esta tecnología también abre nuevas posibilidades para el desarrollo de computadoras neuromórficas. En el cerebro, el aprendizaje ocurre mediante el ajuste dinámico de la fuerza de las conexiones entre neuronas. Los vortionos, con su capacidad de modificación ajustable, podrían funcionar como sinapsis artificiales con conductividad variable.

Los investigadores ya están explorando cómo integrar estos elementos en redes neuronales para que funcionen de manera similar a un cerebro biológico.