Se ha desvelado por parte de físicos alemanes, una nueva forma de crear circuitos lógicos completos y programables que combinen memoria y procesado lógico en una única estructura. Tales estructuras podrían llevar a circuitos integrados más rápidos, pequeños y más eficientes energéticamente y su desarrollo ha sido uno de los objetivos principales de la espintrónica – una tecnología relativamente nueva que explota el espín de un electrón así como su carga. Los investigadores creen que la estructura podría llevar a una nueva forma de diseñar circuitos lógicos en los cuales la memoria y los elementos lógicos no estén separados.

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“Se han hecho demostraciones de dispositivos espintrónicos aislados desde hace tiempo, pero ahora hemos demostrado un circuito lógico programable – y eso es algo nuevo”, dice el líder del equipo Laurens Molenkamp de la Universidad de Würzburg. El nuevo circuito está hecho de un semiconductor ferromagnético que contiene una mezcla de galio, manganeso y arsénico ((Ga,Mn)As) que combina la capacidad de lectura/escritura con un proceso lógico.

Los dispositivos espintrónicos aprovechan el hecho de que el espín del electrón puede apuntar en la dirección “arriba” o “abajo”, y cambiar entre estos dos sentidos es una propiedad que podría usarse para almacenar y procesar información. Tales circuitos serían menores y más eficientes que los circuitos electrónicos basados en el silicio convencional – los cuales dependen de la carga – debido a que, en principio, cambiar espines de arriba a abajo puede hacerse usando muy poca energía. Los dispositivos espintrónicos podría transportar o manipular información a través de una “corriente de espín”, la cual consiste en electrones con espines opuestos que se mueven en sentidos opuestos.

Relajación de la tensión

Cuando se deposita en una capa 2D, (Ga,Mn)As queda mayormente magnetizado a lo largo de una de las dos direcciones – tanto en el plano de la capa como en ángulos rectos entre sí. Los investigadores de Würzburg ya habían descubierto que si hacían un patrón con tales capas en cables estrechos, un fenómeno conocido como “relajación de la tensión” provocaba que los cables tuviesen un único eje de magnetización – a lo largo de la longitud del cable.

Ahora, el equipo ha observado que en una estructura donde tal cable entra en contacto con un área más ancha de (Ga,Mn)As, al pasar una corriente eléctrica a través del cable el área más ancha de (Ga,Mn)As queda magnetizada en la misma dirección del cable. Uniendo cables en direcciones norte, sur, este y oeste con el área más ancha se puede transformar la estructura en una puerta lógica simple.

La corriente de espín polarizada (una corriente de carga con distintos números de electrones con espín arriba y abajo) en una barra norte-sur o este-oeste magnetiza (o “escribe”) el área ancha central con un estado “0″ ó “1″ respectivamente. El dispositivo puede entonces leer midiendo la resistencia a través la unión del túnel que conecta una barra con el área ancha. Esta resistencia es mayor para el 1 que para el 0, y combinar tales dispositivos de 1 bit permitiría a los investigadores construir puertas lógicas XOR completas – algo en lo que el equipo está trabajando actualmente.

Puerta programable

“La otra cosa interesante es que el modo real de operación de la puerta es programable – depende de qué cables usa realmente para señalar los bits lógicos y cómo son inicializados. Por ejemplo, la operación lógica realizada por el dispositivo depende de si las barras norte-sur o este.oeste se definen como 1 -o 0 en cada uno de los dos bits del elemento. “En este sentido, nuestro circuito funciona como un FPGA en la tecnología actual de circuitos integrados”.

En los ordenadores convencionales, la salida de una puerta sólida es de vida corta y tiene que almacenarse en memoria (como la RAM) que está en otra parte del ordenador. Dado que las áreas anchas en las estructuras de Molenkamp y sus colegas están hechas de un material ferromagnético, el estado lógico (o magnetización) es de mayor duración. Por tanto no tiene que transferirse a otra parte, sino que puede aprovecharse directamente.

“Nuestro circuito une la funcionalidad de lógica y memoria en una única capa muy compacta y hace que el procedimiento estándar de separar lógica y memoria sea redundante”, explica Molenkamp. “La capa podría de esta forma llevarnos a un paradigma de procesamiento de la información fundamentalmente nuevo”, añade, “y espero que nuestro trabajo ayudará a convencer a la industria de la electrónica del potencial de implementar espintrónica en los siguientes sistemas de generación de información”.

Dicho esto, hay un inconveniente para el propio (Ga,Mn)As ? el material sólo es ferromagnético a temperaturas por debajo de unos -150 Kelvin. No obstante, la idea presentada por el equipo de Würzburg debería aplicarse a otros materiales ferromagnéticos comunes que son magnéticos a temperatura ambiente. Estas son las buenas noticias.

El circuito se describe en la revista Phys. Rev. Lett. 106 057204.