Creen un nou estat magnètic, el 'vortió', que imita les sinapsis neuronals
Investigadors del Departament de Física han desenvolupat experimentalment un nou estat magnètic: el vortió o vòrtex magnetoiònic. La recerca, publicada a Nature Communications, permet un nivell de control sense precedents de les propietats magnètiques a escala nanomètrica i a temperatura ambient, i obre nous horitzons per al desenvolupament de dispositius magnètics avançats.
L’ús de grans quantitats de dades (big data) ha multiplicat la demanda energètica en les tecnologies de la informació. En general, per emmagatzemar la informació s’utilitzen corrents elèctrics que escalfen els dispositius i dissipen energia. Controlar les memòries magnètiques amb voltatge, en lloc de corrents elèctrics, pot minimitzar aquesta despesa. Una estratègia per fer-ho podria ser utilitzar materials magnetoiònics, en els quals és possible manipular les propietats magnètiques afegint o traient ions mitjançant canvis en el voltatge aplicat. Fins ara, però, la major part dels estudis en aquest àmbit s’han centrat en capes contínues, no en el control de les propietats dels bits de dimensions nanomètriques, necessaris per emmagatzemar dades amb alta densitat. D’altra banda, és conegut que a escala submicromètrica apareixen fenòmens magnètics nous que no existeixen a escala macroscòpica, com els vòrtexs magnètics (que recorden petits remolins magnètics), els quals tenen aplicacions en la manera com s’enregistren i es llegeixen dades magnètiques en l’actualitat i també en biomedicina. Tot i això, modificar l’estat vòrtex en materials ja preparats sol ser impossible o requereix grans quantitats d’energia.
Investigadors del Departament de Física de la UAB, amb la col·laboració de científics de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), del Sincrotró ALBA i de centres de recerca d’Itàlia i dels Estats Units, proposen una nova solució que combina la magnetoiònica i els vòrtexs magnètics. Els investigadors han desenvolupat experimentalment un nou estat magnètic que han anomenat vòrtex magnetoiònic o vortió. El nou objecte permet controlar «a la carta» les propietats magnètiques d’un nanopunt (un punt de dimensions nanomètriques) amb molta precisió. Això s’aconsegueix extraient ions de nitrogen mitjançant l’aplicació de voltatge, fet que permet un control eficient amb un baix consum d’energia.
«Es tracta d’un objecte fins ara inexplorat a nanoescala», explica Jordi Sort, director de la recerca i investigador ICREA del Departament de Física de la UAB. «De manera sorprenent, tot i la demanda que hi ha per controlar els estats magnètics a escala nanomètrica, la major part de la recerca en magnetoiònica s’ha enfocat fins ara a l’estudi de pel·lícules de materials continus. Si ens fixem en els efectes del desplaçament d’ions en estructures discretes de dimensions nanomètriques, els anomenats nanopunts que hem analitzat nosaltres, veiem que apareixen configuracions d’espín molt interessants que evolucionen dinàmicament i que són exclusives d’aquest tipus d’estructures». Aquestes configuracions d’espín i les propietats magnètiques dels vortions varien en funció de la durada del voltatge aplicat. D’aquesta manera, a partir de nanopunts d’un material inicialment no magnètic es poden generar diferents estats magnètics (per exemple, vortions amb diferents propietats o estats d’imantació uniforme) mitjançant l’extracció gradual d’ions amb l’aplicació de voltatge.
«Amb els vortions que hem desenvolupat podem tenir un control sense precedents de propietats magnètiques com la imantació, la coercitivitat, la romanència, els camps crítics de formació i aniquilació del vortió i l’anisotropia. Són propietats fonamentals per a l’emmagatzematge d’informació en memòries magnètiques, i ara les hem aconseguit controlar i ajustar de manera analògica i reversible mitjançant un procés d’activació per voltatge amb molt poca despesa energètica», explica Irena Spasojević, investigadora postdoctoral al Departament de Física de la UAB i primera signant del treball. «El procediment d’actuació per voltatge en comptes de corrent elèctric evita l’escalfament en dispositius com ordinadors portàtils, servidors o centres de dades, i això redueix dràsticament la pèrdua d’energia».
Els investigadors han demostrat que, mitjançant un control precís del gruix de la capa magnètica generada amb voltatge, l’estat magnètic del material es pot variar a voluntat, de manera controlada i reversible, entre un estat no magnètic, un estat amb una orientació magnètica uniforme (com el que presenta un imant) i el nou estat vòrtex magnetoiònic.
Imitar el comportament de les sinapsis neuronals
Aquest nivell de control sense precedents de les propietats magnètiques a escala nanomètrica i a temperatura ambient obre nous horitzons per al desenvolupament de dispositius magnètics avançats amb funcionalitats que poden adaptar-se un cop el material s’ha sintetitzat. Això proporciona més flexibilitat, que és necessària per satisfer demandes tecnològiques específiques. «Preveiem, per exemple, la integració de vòrtexs magnetoiònics reconfigurables en xarxes neuronals com a sinapsis dinàmiques, capaces d’imitar el comportament de les sinapsis biològiques», avança Jordi Sort. En el cervell, les connexions entre les neurones, les sinapsis, presenten diferents pesos (intensitats) que es van adaptant de manera dinàmica segons l’activitat i l’aprenentatge. De la mateixa manera, els vortions podrien oferir enllaços neuronals amb pesos sinàptics sintonitzables, reflectits en valors d’imantació o d’anisotropia reconfigurables, per a dispositius espintrònics neuromòrfics (inspirats en el cervell). De fet, «l’activitat de les neurones i les sinapsis biològiques també està controlada per senyals elèctrics i migració d’ions, de manera anàloga a les nostres unitats magnetoiòniques», comenta Irena Spasojević.
Els investigadors consideren que, més enllà de l’impacte en dispositius inspirats en el cervell, en computació analògica o en memòries multinivell, els vortions podrien tenir altres aplicacions, per exemple, en tècniques de teràpia mèdica com la teragnosi, en seguretat de dades (ciberseguretat), en dispositius de computació mitjançant espín magnètic (espinlògica) o en la generació d’ones d’espín (magnònica).
En la recerca, dirigida pel professor ICREA del Departament de Física de la UAB Jordi Sort, i la investigadora postdoctoral del Departament de Física de la UAB Irena Spasojević com a primera autora, han participat Zhen Ma, del mateix departament Aleix Barrera i Anna Palau, de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), a més d’investigadors del Sincrotró ALBA, de l’Institut Nacional de Recerca Metrològica (INRiM) de Torí (Itàlia) i de la Universitat Estatal de Colorado (EUA). El treball s’ha publicat a la darrera edició de la revista Nature Communications. La recerca ha estat finançada pel projecte REMINDS del Consell Europeu de Recerca (ERC).
Article científic:
Spasojevic, I., Ma, Z., Barrera, A. et al. Magneto-ionic vortices: voltage-reconfigurable swirling-spin analog-memory nanomagnets. Nat. Commun. 16, 1990 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57321-8 https://www.nature.com/articles/s41467-025-57321-8.