Una investigación revolucionaria allana el terreno hacia unos dispositivos de MRAM de siguiente generación
Los discos duros de los ordenadores, los discos ópticos, las memorias flash y otros dispositivos son memorias no volátiles, es decir, pueden conservar los datos almacenados incluso tras dejar de recibir alimentación. Sin embargo, son lentos (especialmente durante la escritura) y presentan limitaciones de ampliación. La memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva (MRAM, por sus siglas en inglés) es un tipo de memoria no volátil que utiliza estados magnéticos, en lugar de cargas eléctricas, para almacenar bits. La tecnología tiene gran potencial para crear una memoria universal con capacidad de escritura instantánea y de conservación de los datos, así como una resistencia ilimitada.
El acoplamiento espín-órbita, el más adecuado para dispositivos de MRAM
La siguiente generación de MRAM se basará en nuevos mecanismos de espintrónica, que prometen operaciones aún más rápidas y un menor consumo eléctrico. El proyecto GRISOTO, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, exploró cómo unas heteroestructuras fabricadas con materiales bidimensionales (grafeno) y aislantes topológicos podrían contribuir a inducir un acoplamiento espín-órbita en ferroimanes. La principal investigadora del proyecto, Regina Galceran, explica: «Nuestro objetivo es controlar la imantación de un ferroimán, que determina si un dispositivo de memoria se enciende o apaga, mediante el flujo de una pequeña corriente eléctrica. Para ello se utiliza una capa continua formada por un material con un acoplamiento espín-órbita fuerte». Cuando un electrón con un momento desalineado pasa al ferroimán, la discordancia (desalineación) da lugar a una pequeña fuerza de torsión: un acoplamiento. Una gran corriente puede generar un acoplamiento suficiente para cambiar la dirección de imantación general del ferroimán. Los dispositivos de MRAM de siguiente generación están aprovechando la capacidad de controlar el cambio de imantación (alineación de espín paralela a antiparalela) mediante estos acoplamientos de transferencia de espín. Entre los materiales más prometedores que producen un gran acoplamiento espín-órbita se encuentran los dicalcogenuros de metales de transición y aislantes topológicos, pero su rendimiento está limitado por la difusión de la aleación en la interfaz con el ferroimán.
El grafeno, una plataforma prometedora para los fenómenos basados en espines
Para afrontar este desafío, GRISOTO exploró las ventajas de introducir una capa de grafeno entre el ferroimán y el material con un gran acoplamiento espín-órbita. A causa de su reducido acoplamiento espín-órbita, el grafeno contribuye a mantener la coherencia del espín de electrones durante un tiempo prolongado. Se espera que la combinación de ambos materiales genere fenómenos de espín-órbita únicos inducidos por la proximidad que permitan el control de la corriente de espín. «La obtención de grafeno directamente en sustratos mediante la deposición química en fase de vapor (DQV) requiere la optimización de cada sustrato. En nuestro estudio, simplificamos el proceso transfiriendo el grafeno obtenido por DQV sobre la película de aislante topológico», explica Galceran. «Descubrimos que el grafeno protege la superficie subyacente del aislante topológico contra la oxidación. Aún más, evita la interdifusión de átomos en las interfaces entre el aislante topológico y el ferroimán que suprimen los acoplamientos espín-órbita».
Cómo beneficia la tecnología de MRAM a la sociedad
«Resulta esencial encontrar una forma fiable de conmutar la orientación del espín en ferroimanes para producir dispositivos de almacenamiento de datos y, finalmente, circuitos lógicos. Las aplicaciones de internet de las cosas y de las ciudades inteligentes combinan múltiples tecnologías, analítica en tiempo real, aprendizaje automático y sistemas incorporados. Un fallo de rendimiento podría tener consecuencias catastróficas, por ejemplo en el caso de los vehículos autónomos», comenta Galceran. «En tales situaciones, los circuitos lógicos podrían beneficiarse de la alta resistencia, la velocidad de escritura y la protección contra fallos eléctricos de las MRAM de acoplamiento espín-órbita». Estas MRAM, incorporadas en microprocesadores, supondrían toda una revolución en el mundo de la informática. No solo permitirían instalar memorias no volátiles en estructuras de procesadores asentadas, sino que también ofrecerían la oportunidad de repensar el modo en que se pueden diseñar los núcleos de los procesadores desde el nivel de sistema.
Palabras clave
GRISOTO, grafeno, ferroimán, MRAM, acoplamiento espín-órbita, aislante topológico, memoria de acceso aleatorio magnetorresistiva
