Viernes, 26 de mayo de 2017

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El Nanomagnetismo investiga los límites físicos para almacenar la información


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Nuestro mundo globalizado se basa en la informática y las comunicaciones, y ambas tecnologías en los ordenadores ultra-rápidos. Sin embargo suele olvidarse que una parte esencial en cualquier ordenador es la memoria. Esta memoria debe ser capaz de almacenar ingentes cantidades de datos, además estos deben ser fácil y rápidamente accesibles, y ocupar poco volumen de almacenamiento. Un dato debe ser grabado en la memoria, debe permanecer durante un tiempo de al menos 30 años, ser leído en el mínimo tiempo y modificado si es necesario. Los únicos materiales que cumplen TODOS estos condicionantes, hoy por hoy, son los materiales magnéticos. [1]

El medio en que queremos grabar la información, ya sea disco, cinta o tarjeta, está constituido por un material soporte sobre el que se fija el material magnético, que se mueve respecto a la cabeza grabadora. Esta genera un campo magnético suficientemente intenso como para imanar una región de dicho medio en una dirección

 

 La información queda grabada secuencialmente en forma binaria, con los bits cero y uno guardados como porciones del material imanado en una dirección y en la contraria, respectivamente.

Materiales para grabación magnética

La naturaleza nos pone un límite a la senda de miniaturización. Si el elemento de memoria es una región de décimas de milímetro, como en una cinta de video, el material magnético consiste en polvo soportado por plástico, y cada grano de polvo está subdividido en dominios, regiones imanadas en direcciones distintas[2].

 

Es necesario que el campo magnético imane a la mayoría de los dominios de un grano en una dirección para que se grabe la información. Si al miniaturizar el elemento de memoria se alcanza un tamaño del orden de la micra los granos son de un solo dominio, o monodominio. Se presenta entonces el fenómeno que se denomina superparamagnetismo consistente en que una vez orientada la partícula con un campo magnético esta se desorienta espontáneamente si la temperatura es superior a la denominada de temperatura de bloqueo, ó TB, y no mantiene grabada la información. Desgraciadamente esta TB es tanto mas baja cuanto mas pequeña es la partícula por lo que para cada material magnético hay un tamaño límite por debajo del cual, a temperatura ambiente, no es posible utilizarlo como memoria. El parámetro del que depende esta propiedad se denomina anisotropía magnética y representa la energía por unidad de volumen que debemos aplicar al elemento de memoria para invertir su dirección.

 

 La conclusión de lo anterior es que si deseamos reducir el tamaño de la partícula, o bien enfriamos la memoria, o aumentamos la anisotropía magnética del material, o ambas cosas a la vez.

Nanomateriales

Sabemos que de forma natural las moléculas se ordenan espontáneamente en estructuras regulares, y además la Química nos ofrece una extensa lista de moléculas, con núcleos metálicos de una a varias centenas de nanómetros, con potenciales propiedades magnéticas. Por tanto, podríamos conseguir que se dispusieran espontáneamente las moléculas magnéticas sobre una superficie, esto es, se auto-organizase, y una vez fijadas y estabilizadas tendríamos discos con densidades de mas de 3000 gigabits por centímetro cuadrado.

Esta estrategia es conocida en el argot técnico como “bottom up”, o de “menor a mayor”. Y aquí entramos nosotros, el grupo IMANA del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, en esta historia.

Desde hace cuatro años estamos investigando las propiedades de partículas de Cobalto (Co) metálico embebidas en una matriz de óxido de aluminio. La temperatura de bloqueo de estas partículas no es espectacular, tan sólo de 20 K (-253,16º C) en las mayores, por lo que se requeriría el uso de bajas temperaturas para su aplicación como memoria.

 

Sin embargo son objetos fascinantes por su simplicidad y regularidad, especímenes únicos que nos permiten comprender mejor el magnetismo de imanes tan diminutos. En una partícula nanométrica el número de átomos que están en su superficie puede ser comparable a los que hay en su interior, por ejemplo, una partícula de Co de un nanómetro contiene aproximadamente 50 átomos, de los cuales 32 están en su superficie. En nuestro laboratorio hemos estudiado una secuencia de muestras de este tipo en que hemos variado el diámetro de las muestras y, en consecuencia, la razón entre átomos en la superficie frente a los del interior . Para nuestra sorpresa hemos observado que en una partícula de un nanómetro la anisotropía magnética aumenta treinta veces respecto a su valor para el Co masivo. Podemos explicar este resultado teniendo en cuenta que en el interior de la partícula los átomos de Co están rodeados de otros átomos de Co, mientras que los que están en la superficie tienen vecinos tan solo a un lado. Como resultado neto de esta descompensación se produce el fuerte aumento de anisotropía. (3)

Nanohilos

A lo largo de este artículo no hemos mencionado todavía que la grabación de la región del bit puede hacerse paralela o perpendicular a la superficie. Para visualizar la diferencia de una a la otra consideremos que la información esta grabada en un bastoncito. En la grabación longitudinal el bastoncito está alineado con la superficie del sustrato mientras que en la perpendicular está colocado perpendicularmente al sustrato soporte.

 

Un ejemplo extremo en densidad superficial consiste en utilizar nanohilos organizados perpendicularmente a la superficie. Un nanohilo magnético es un bastoncito de diámetro nanométrico y longitud de micras, que se imana a lo largo de su longitud ya que el factor desimanador favorece este estado sobre cualquier otro; esto es, el bastoncillo tiene anisotropía magnética de forma. Nuestra contribución en este campo ha sido el estudio de cómo se produce la inversión en la imanación de estas partículas y, especialmente, a muy bajas temperaturas en que hemos observado aparentes fenómenos de origen cuántico

Ferritinas

Otra vía muy prometedora por la que se puede esperar que los métodos de auto-organización y auto-ensamblado sean efectivos es la bioquímica. En efecto, sabemos que las algunas proteínas se auto-organizan, o incluso cristalizan en redes regulares bidimensionales.. Por el momento en nuestro laboratorio hemos estudiado las ferritinas con núcleo de oxo-hidróxido de hierro y de nuevo hemos puesto de manifiesto un comportamiento distinto al del material masivo debido al efecto de descompensación magnética en la superficie de los núcleos magnéticos de las partículas.

Límite absoluto en la velocidad de grabación

Quisiera cerrar este trabajo mencionando un reciente informe según el cual se ha encontrado un límite físico a la velocidad de inversión de una partícula magnética, lo que a su vez puede limitar la densidad absoluta de información que se pueda leer y escribir en un disco duro magnético. Mediante la aplicación de un campo con componente perpendicular a la imanación de la partícula esta comenzará un movimiento de precesión girando perpendicularmente a su imanación y al campo aplicado. Han comprobado que si el pulso aplicado es demasiado intenso y demasiado rápido los procesos de reorientación de los momentos magnéticos ocurren de forma estocástica en vez de determinista, por lo que sería imposible grabar controladamente un bit de información. Este resultado fundamental nos dice que no vamos a poder aumentar la velocidad de grabación indefinidamente y, por tanto, hay un límite tecnológico a este parámetro. Sin embargo, todavía se puede aumentar la velocidad unas mil veces mas respecto a la tecnología actual antes que este límite sea alcanzado.

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Referencias bibliográficas

  1. C.D. Mee and E.D. Daniel, , Magnetic recording. Mc Graw-Hill 1987

  2. F. Luis, J. Bartolomé, J. Tejada y E. Martinez. AC susceptibility study of the magnetic relaxation phenomena in CrO2 digital compact cassette magnetic tape. J. Mag. Mag. Mater. 157/158, 266-267 (1996)

  3. F. Luis, J. M Torres, L. M. García, J. Bartolomé, J. Stankiewicz, F. Petroff, F. Fettar, J.-L Maurice, and Vaurès, Enhancement of the anisotropy of nanometer-sized Co clusters, Phys. Rev. B 65, 094409 (2002).

  4. T. G. Sorop, C. Untiedt, F. Luis, M. Kröll, M. Rasa, and L. J. de Jongh. Magnetization reversal of ferromagnetic nanowires studied by Magnetic Force Microscopy. Phys. Rev. B 67, 014402 (2003).
  5.  F. Luis, E. Del Barco, J.M. Hernández, E. Remiro, J. Bartolomé, J. Tejada. Resonant Tunneling in small particles. Phys. Rev. Rev. B. 59 (1999) 11837.
  6. 6. I. Tudosa, C. Stamm, A.B. Kashuba, F. King, H.C. Siegmann, J. Stöhr, G. Ju, B. Lu an De Weller. The ultimate speed of magnetic switching in granular recording media. Nature 428,831 (2004)

Composición del Grupo Consolidado IMANA

El Grupo Consolidado IMANA recibe su nombre del acrónimo Imanes Macroscópicos y Nanoestructurados. En efecto, los miembros de nuestro grupo tenemos como objeto de estudio los materiales magnéticos en escalas que van desde los nanómetros hasta los centímetros, pero siempre con un objetivo común, correlacionar su estructura atómica y microestructura con sus propiedades magnéticas. En el grupo participan las siguientes personas:

  • Dr. Juan Bartolomé Sanjoaquín, Profesor de Investigación del CSIC (ICMA)
  • Dr. Conrado Rillo Millán, Profesor de Investigación del CSIC (ICMA)
  • Dr. Javier Rubín Llera, Profesor Titular CPS (ICMA)
  • Dr. Julio Fernández Novoa, Investigador CSIC (ICMA)
  • Dr. Fernando María Luis Vitalla, Científico Titular CSIC (ICMA)
  • Dr. Agustín Camón Laceras, Científico Titular CSIC (ICMA)
  • Dr. Jolanta Stankiewicz, Contrato Ramón y Cajal Universidad (INA)
  • Dr. Cristina Piquer Oliet, Contrato Ramón y Cajal CSIC (ICMA)
  • Dr. Javier Sesé Monclus, Contrato Ramón y Cajal Universidad (INA)
  • Dr. Neculai Plugaru, Becario Postdoctoral CPS (ICMA)
  • Lcdo. Román López Ruiz, Becario Predoctoral CSIC

Fecha Aragón Investiga: 24/06/2004


Ficheros adjuntos


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