Investigador USM descubre posibilidad de duplicar la capacidad de almacenamiento de información

1 · octubre · 2020

Hallazgo fue realizado por el Dr. Jhon González del Departamento de Física, en un trabajo conjunto con investigadores de universidades de Holanda y de España.

Vivimos en un mundo de constantes cambios y mejoramientos de la tecnología. Y en ese aspecto es que investigadores de la Universidad Técnica Federico Santa María en conjunto con la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda) y de la Universidad de La Laguna (España), han desarrollado una investigación que abre la puerta para aumentar de manera considerable el almacenamiento de información. Este resultado podría llevar al desarrollo de nuevas formas de almacenamiento de la información, demostrando que en el futuro las cosas serán aún más pequeñas. 

Jhon González, Doctor en Física, investigador y profesor del Departamento de Física de la USM, es parte del proyecto y devela en esta entrevista en qué consiste este fundamental hallazgo.

El académico es además investigador postdoctoral en instituciones españolas y portuguesas, y actualmente desarrolla su investigación gracias al financiamiento otorgado por un proyecto de iniciación científica de la ANID.

¿Cuáles son los principales aspectos de la investigación y con quiénes se realiza?

Esta es una colaboración internacional que incluye investigadores teóricos y experimentales de la Universidad Técnica Federico Santa María, de la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda), y de la Universidad de La Laguna (España). En conjunto logramos controlar de forma independiente dos tipos de magnetismo en un solo átomo.  Este descubrimiento abre la puerta al almacenamiento de dos bits de información usando solo un átomo, duplicando la capacidad de almacenamiento de información a la escala más pequeña posible. Este resultado podría llevar al desarrollo de nuevas formas de almacenamiento de la información, demostrando que en el futuro las cosas serán aún más pequeñas.

Normalmente, cuando se deposita un átomo sobre una superficie, la fuerte interacción entre ellos hace que sea muy difícil controlar sus propiedades. El átomo magnético (hierro en nuestro caso) se deposita sobre una capa aislante compuesta de cobre y nitrógeno, que a su vez esta sobre un sustrato de cobre y oro. En este trabajo se logró situar el átomo de hierro sobre uno de nitrógeno, lo que permitió preservar las propiedades magnéticas del átomo de hierro. En el pasado, otros investigadores habían explorado este sistema sin obtener ninguna respuesta magnética; la combinación de cobre y nitrógeno parece ser la clave. 

¿Cuál es su función dentro de la investigación?

Mi principal labor en esta colaboración internacional fue modelar el sistema a escala atómica. En este tipo de trabajo, que mezclan experimentos con teoría, el objetivo es poder contrastar y comprobar de forma independiente la mayor cantidad de observaciones que sea posible. Esta labor minuciosa es necesaria cuando se obtienen mediciones en un material nuevo.

Las primeras mediciones exitosas y reproducibles se lograron a principios del año pasado. Después de eso trabajamos en la interpretación de los resultados tratando de explicar las observaciones. Al final nos dimos cuenta que, aunque nos sorprendió a todos, teníamos evidencia de la manipulación del momento magnético orbital y el momento magnético de espín de forma independiente. Aquí el trabajo teórico es crucial porque es la forma que tenemos de comprobar que realmente estábamos midiendo este sorprendente resultado. 

¿Cuál es la importancia de la investigación y sus alcances con algún ejemplo práctico?

El magnetismo a escala atómica es el resultado del movimiento de los electrones que giran alrededor del núcleo. Estas rotaciones se pueden dividir en dos categorías. Una forma simple de entenderlo es usando la analogía con el movimiento de la Tierra en torno al Sol. Por un lado, la Tierra orbita alrededor del Sol, lo que lleva un año. Por otro, la Tierra también gira alrededor de su propio eje, lo que lleva al ciclo día/noche. Lo mismo ocurre con un electrón que gira alrededor de un átomo: la rotación alrededor del núcleo da lugar al llamado momento angular orbital, mientras que la rotación del electrón alrededor de su propio eje origina el momento angular de espín o simplemente, el espín. 

Impresión artística del átomo estudiado bajo la aguja de un microscopio de efecto túnel. El movimiento angular de rotación y orbital se indican con una flecha pequeña y una grande, respectivamente. Créditos: J. W. González

Cada uno de estos movimientos podría en principio, utilizarse para almacenar información. La rotación orbital, por ejemplo, puede ser en sentido horario o anti horario. Estas dos direcciones de rotación pueden representar así el "0" y el "1" de un bit. El espín también tiene dos direcciones de rotación posible. Así que, en teoría, podríamos almacenar dos bits de información en un solo átomo. En la práctica, las cosas son un poco más difíciles ya que, si se invierte la dirección orbital, la dirección de espín casi siempre cambia con ella, y viceversa, por cuanto sus movimientos no son totalmente independientes.

En este trabajo se consiguió invertir la dirección del movimiento orbital sin afectar a la dirección del espín. Esto ha sido posible gracias a un fenómeno predicho por Albert Einstein y Wander Johannes de Haas. El efecto Einstein-de Haas, consiste en que la inversión de la dirección orbital puede ser compensada por una pequeña rotación del entorno, en este caso los átomos metálicos sobre los que se deposita el átomo de hierro. Este efecto no se había observado anteriormente en la escala atómica, y ni siquiera se había planteado que se pudiese usar para manipular el magnetismo atómico.

En términos de almacenamiento de información a gran escala, se plantea como un desafío aún mayor. En estos momentos, el control de la información a nivel atómico requiere de un microscopio de efecto túnel (STM) de última generación, y las muestras se estudian en condiciones de alto vacío y a bajas bajas temperaturas. Llevar esto a un dispositivo funcional que permita leer y escribir información a escala atómica, es el real desafío. 

¿Qué aspectos destacaría de la investigación? 

Usamos un microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés), en el que una aguja muy afilada puede escanear los átomos e incluso moverlos a voluntad. En la superficie, el átomo magnético se encuentra en contacto con varios átomos vecinos. Y es precisamente esta interacción con los vecinos la que interrumpe el movimiento orbital, suprimiéndolo casi completamente. Posicionando un átomo de hierro justo encima de un solo átomo de nitrógeno del sustrato, logramos la separación total entre el espín y la rotación orbital. Al hacerlo, creamos una geometría ideal que raramente ocurre de forma espontánea en la naturaleza.

La capacidad de almacenar bits de información en átomos individuales, aumentaría la capacidad de almacenamiento existente en muchos miles de veces. Sin embargo, el almacenamiento de datos a la escala atómica está todavía muy lejos de ser útil a escala comercial. El resultado principal es que hemos dado un paso adelante en nuestra capacidad de controlar los átomos e incluso los electrones que orbitan alrededor de ellos.

Información y link del paper

R. Rejali, D. Coffey, J. Gobeil, J. W. González, F. Delgado and A. F. Otte. “Complete reversal of the atomic unquenched orbital moment by a single electron”. npj Quantum Mater. 5, 60 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41535-020-00262-w

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