Nanoagulles per incrementar la capacitat i robustesa de les memòries digitals

26/05/2020

Alguns dispositius de memòria on s’emmagatzema la informació dels telèfons i ordinadors estan basats en un control molt acurat de les propietats magnètiques, a escala nanoscòpica. Com més precís és aquest control, més capacitat d’emmagatzematge i velocitat poden tenir. En casos determinats s’utilitza la combinació del ferromagnetisme (on el magnetisme de tots els àtoms del material apunta en la mateixa direcció) i l’antiferromagnetisme (on el magnetisme dels àtoms del material apunta alternadament en direccions contràries) per emmagatzemar la informació. Un dels materials que pot mostrar aquests dos ordenaments és l’aliatge de ferro i rodi (FeRh), gràcies a que mostra una transició metamagnètica entre aquestes dues fases a una temperatura molt propera a la de l’ambient. En concret, pot canviar d’estat passant de ser antiferromagnètic a ferromagnètic quan s’escalfa. L’estat antiferromagnètic és molt més robust i segur que el ferromagnètic, ja que no es veu alterat fàcilment per la presència d’imants en la seva proximitat, és a dir, un camp magnètic extern no pot esborrar-ne fàcilment la informació.

Un equip d’investigació de la UAB, l’ICMAB, i el Sincrotró ALBA, juntament amb científics de la UB i de l’ICN2, ha utilitzat la pressió mecànica per modificar aquesta transició i estabilitzar l’estat antiferromagnètic. Els investigadors han observat que pressionar la superfície de l’aliatge de ferro i rodi amb una agulla de grandària nanomètrica provoca el canvi d’estat magnètic de manera senzilla i localitzada. Tot pressionant sobre diferents zones del material han aconseguit generar nanoilles antiferromagnètiques envoltades d’una matriu ferromagnètica, una fita molt difícil amb les tècniques actuals. Si el procés es repeteix per tota la superfície de l’aliatge, la nova tècnica permet induir aquest canvi en àrees grans del material i dibuixar patrons amb resolució nanoscòpica amb zones amb propietats magnètiques diferents, generant estructures tan petites com les que es poden aconseguir actualment mitjançant mètodes més complexos.

Millora per miniaturitzar els dispositius magnètics

Es tracta d’una millora important en la capacitat de miniaturitzar els patrons que es poden construir amb materials magnètics, una millora en la resolució de les eines que els enginyers utilitzen per dissenyar els dispositius magnètics de la tecnologia que utilitzem diàriament. “La idea és molt simple”, explica Ignasi Fina, investigador de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), “en les transicions de fase tot el que li facis al material té un gran impacte en les altres propietats. El nostre aliatge té una transició de fase magnètica. Amb una agulla de mida nanomètrica canviem l'ordenament magnètic només prement el material. En concret, canvia de ferromagnètic a antiferromagnètic. I com que l'agulla és nanomètrica, el canvi és a la nanoescala.”

“La nova tècnica basada en l’aplicació de pressió mitjançant nanoagulles pot permetre construir dispositius nanomètrics magnètics amb estructures molt més petites i molt més robustes i segures que les actuals, tot facilitant la fabricació de memòries magnètiques amb diferents arquitectures que millorin les seves capacitats”, destaca l’investigador ICREA del Departament de Física de la UAB, Jordi Sort.

Existeixen altres tècniques basades en l’aplicació de voltatges o de camps magnètics intensos per incrementar l’estabilitat de la fase antiferromagnètica de l’aliatge, però provoquen canvis a gran escala en tot el material que en limiten la capacitat de control i de miniaturització. El fet d’aplicar pressió de manera molt localitzada ofereix una precisió sense precedents, afectant només petites àrees locals a escala nanomètrica. En pressionar, s’incrementa la temperatura de transició de l’aliatge, la temperatura a la que es produeix el seu canvi d’estat, i la seva magnetització canvia.

Per obtenir aquesta informació sobre els canvis produïts en les propietats magnètiques del material a escala nanomètrica, en aquest estudi s’ha utilitzat la tècnica anomenada dicroisme circular magnètic de raigs X en combinació amb la microscòpia electrònica de fotoemissió, a la línia de llum CIRCE-PEEM del Sincrotró ALBA. “Aquestes tècniques amb llum de sincrotró permeten veure els canvis en una escala realment molt petita”, comenta Michael Foerster, científic d’ALBA.

Aplicacions en altres camps

Les possibles aplicacions van més enllà dels materials magnètics. El fet de modificar les propietats d’un material aplicant pressió, és a dir, modificant el volum de les cel·les de la seva estructura cristal·lina, pot ser extrapolat a altres tipus de materials. Els investigadors consideren que es tracta d’una tècnica que obre les portes a una nova via per nanoestructurar les propietats físiques i funcionals dels materials, i a implementar noves arquitectures en altres tipus de nanodispositius i microdispositius no magnètics.  

La recerca ha estat destacada en portada en la darrera edició de la revista Materials Horizons. Liderada pels investigadors Ignasi Fina, de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), Jordi Sort, ICREA al Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), i Michael Foerster, científic de la línia de llum CIRCE del Sincrotró ALBA, la investigació ha comptat també amb la participació d’Enric Menéndez, Alberto Quintana i Daniel Esqué de los Ojos (Departament de Física de la UAB); Carles Gómez-Olivella (Departament de Física Aplicada i Òptica de la Universitat de Barcelona); Oriol Vallcorba i Lucia Aballe (també del Sincrotró ALBA); Carlos Frontera (ICMAB-CSIC); Josep Nogués (ICREA a l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, ICN2); i Emerson Coy (NanoBioMedical Centre, Adam Mickiewicz University).

Article de referència:

Michael Foerster, Enric Menéndez, Emerson Coy, Alberto Quintana, Carles Gómez-Olivella, Daniel Esqué de los Ojos, Oriol Vallcorba, Carlos Frontera, Lucia Aballe, Josep Nogués, Jordi Sort and Ignasi Fina. Local manipulation of metamagnetism by strain nanopatterning, Materials Horizons (2020) https://doi.org/10.1039/D0MH00601G