Tendencias - Espintrónica: llega la nueva era tecnológica - Por Cuauhtemoc Valdiosera R.

En un futuro cercano se contará con una pantalla flexible o computadoras que almacenan más datos en menos espacio y consumen menos energía

Mientras la potencia cada vez mayor de los chips nos lleva hacia los límites de la tecnología del silicio, muchos investigadores apuestan por un futuro de espintrónica, una tecnología a nanoescala en la que se transmite información no por la carga del electrón, sino por el giro intrínseco del mismo. Si es posible encontrar una forma fiable de controlar y manipular estos giros, los dispositivos espintrónicos podrían ofrecer velocidades más altas de procesamiento de datos, consumo de energía más bajo y muchas más ventajas comparadas con los chips convencionales, incluyendo la capacidad de realizar computaciones cuánticas realmente innovadoras.

Así, tecnologías basadas en la manipulación del espín están revolucionando el desempeño de los dispositivos magnéticos de almacenamiento. El desarrollo de dispositivos espintrónicos más complejos usando nanotubos de carbono podrían ser el siguiente paso lógico en la nueva rama de la espintrónica, llamada ya la nueva electrónica.

El fin anticipado de la ley de Moore en la escala microelectrónica ha apurado a los investigadores a explorar esquemas exóticos para la computación. Uno de los más avanzados proviene del emergente campo de los espín electrónicos o de la denominada espíntrónica, la cual busca la manipulación y el uso del espín (más allá de su carga) para implementar desarrollos computacionales y sus funcionalidades.

Este desarrollo ha tenido cierto éxito comercial, con dispositivos basados en explotar el magnetismo asociados al espín, para leer información almacenada magnéticamente, mejorando notablemente el funcionamiento en el desempeño de los discos duros de las computadoras y las memorias de acceso aleatorio MRAM. Pero en un futuro ya cercano vendrán productos como pantallas flexibles, células solares baratas, computadoras que almacenan más datos en menos espacio, procesan datos más rápidamente y consumen menos energía, incluso computadoras que arrancan de forma instantánea.

Ese es el horizonte de la espintrónica, una nueva clase de electrónica que emplea no solamente la carga sino también la rotación de los electrones en la producción de dispositivos eléctricos. La espintrónica utiliza campos magnéticos para controlar la rotación (espín) de los electrones.
Técnicamente, el espín es el momento angular intrínseco de una partícula, pero se puede describir también imaginando que cada electrón contiene un diminuto imán, como la aguja de una brújula, que apunta hacia arriba o hacia abajo para representar su espín.
Los electrones que se mueven a través de un material no magnético normalmente poseen espines aleatorios (la mitad arriba y la mitad abajo), de manera que el efecto final es cero. Pero se pueden aplicar campos magnéticos de manera que los espines se alineen (todos arriba o todos abajo), permitiendo una nueva forma de almacenar datos binarios en forma de unos (todos los espines arriba) o ceros (abajo).

El campo de la espintrónica nació a finales de los 80, con el descubrimiento del "efecto de la magnetorresistencia gigante". La resistencia mide cuánto se resiste un material al flujo de una corriente eléctrica. El efecto gigante ocurre cuando un campo magnético se emplea para alinear el espín de los electrones en el material, induciendo un gran cambio en su resistencia.
El efecto fue descubierto por primera vez en un dispositivo hecho con múltiples capas de material eléctricamente conductor, al que llamaron "válvula de espín" porque cuando se le aplicaba una campo magnético, el espín de sus electrones pasaba de todos arriba a todos abajo, cambiando su resistencia de tal manera que el dispositivo actuaba como una válvula que incrementaba o disminuía el flujo de la corriente eléctrica.

Las válvulas de espín convencionales se han utilizado en computadoras desde mediados de los 90, en especial en las cabezas lectoras de información. Ahora se espera que la espintrónica revolucione aún más la memoria de las computadoras, ya que podrá almacenar más información, consumiendo menos energía y procesando datos más rápidamente.

Además, dado que, una vez que se han alineado, los espines permanecen en la misma posición hasta que son cambiados por un campo eléctrico, las memorias conservarán la información incluso cuando la computadora esté apagada, lo que permitirá su encendido instantáneo (pues no será necesario cargar nada desde el disco duro).

La electrónica convencional codifica los datos informáticos basados en un sistema binario de unos y ceros, dependiendo de si un electrón está presente en un vacío dentro del material. Pero, por principio, la dirección en que un electrón gira -en un sentido o en el otro- puede también ser utilizada como información. Así, la espintrónica puede efectivamente permitir a las computadoras almacenar y transferir el doble de datos por electrón.

Una vez que un campo magnético empuje un electrón en un sentido de rotación, mantendrá ese sentido hasta que otro campo magnético provoque el cambio. Este efecto se puede utilizar para tener acceso muy rápidamente a información almacenada magnéticamente durante una operación informática -incluso si la corriente eléctrica se ha interrumpido entre dos sesiones de trabajo. Los datos se pueden almacenar permanentemente y están casi inmediatamente disponibles en cualquier momento, sin ser necesario un prolongado proceso de arranque.
La espintrónica plástica pesaría menos que la electrónica tradicional y su fabricación resultaría más económica. Los semiconductores inorgánicos actuales se fabrican mediante múltiples fases de asentamiento y grabado en vacío. Teóricamente, la económica tecnología de inyección de tinta se podría un día utilizar para imprimir rápidamente hojas enteras de semiconductores plásticos para espintrónica.

La espintrónica es una ciencia relativamente nueva emparentada con la nanotecnología, y parte de la base de cambiar la forma de aprovechar el rendimiento de los procesadores y las CPU. Hasta ahora, se aumentaba la velocidad de una CPU reduciendo la circuitería física de los chips, de forma que trabajasen a más velocidad. Pero este método tiene unos límites físicos, ya que el calor que generan esos procesos también va en aumento.

La espintrónica podría ayudar a desarrollar procesadores mucho más potentes sin el obstáculo del calentamiento. Este tipo de procesador podría controlar el espín, que es la orientación magnética de los electrones, creando estructuras atómicas con enormes capacidades de computación y poca sobrecarga calórica.

El primer requisito para construir un dispositivo espintrónico es disponer de un sistema que pueda generar una corriente de electrones "espín polarizados" (es decir, que tengan el mismo valor para su espín) y de otro sistema que sea sensible a esa polarización. Un paso más radical sería tener una unidad intermedia que realice algún tipo de procesamiento en la corriente, de acuerdo con los estados de los espines.