💡 Olvídese de empujar electrones por un cable. Un equipo en Japón construyó una memoria magnética que se escribe con un destello de luz: un solo pulso de láser, y un 1 se convierte en 0. El mérito está en haberlo logrado sobre el CoFeB, la aleación estándar con la que ya se fabrican los chips de memoria magnética comerciales.

La mayoría de las memorias de computadora siguen funcionando como hace décadas: se hace circular una corriente eléctrica y esa corriente escribe los datos. Pero esa misma corriente es el problema. Calienta, desperdicia energía y, sobre todo, impone un piso: hay un límite de velocidad para cambiar un bit antes de que el calor te alcance. A medida que la inteligencia artificial y los servicios en la nube mueven cada vez más datos, ese piso empieza a sentirse incómodamente cerca.

Por eso un grupo liderado por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Cuántica de Japón (QST), junto con la Universidad de Hyogo, el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón (JASRI), el Instituto de Ciencia de Tokio y NTT, probó algo que suena a utilería de película: prescindir de la corriente y escribir los datos con un destello de luz. El 8 de junio anunciaron que funciona, y el artículo salió en Applied Physics Letters como selección del editor (Editor's Pick).

Cómo recuerda una memoria magnética con imanes diminutos

La memoria magnética guarda información en la dirección hacia la que apunta un imán. Si uno se acerca hasta los electrones dentro de un material magnético, cada uno se comporta como una brújula minúscula: una propiedad que los físicos llaman espín. Alinee suficientes espines en el mismo sentido y obtendrá un imán con una orientación definida: apunta "arriba" y eso es un 1; apunta "abajo" y es un 0.

Lo atractivo es que el imán se queda quieto después de cortar la energía. La memoria no olvida ni gasta electricidad solo por sostener los datos. Por eso la memoria magnética ya se está colando en los microcontroladores de los autos y en los dispositivos de borde. El problema siempre estuvo en la escritura. Hoy esos espines se voltean con corriente eléctrica, y corriente significa calor, y calor significa límites.

El muro: por qué la luz rebotaba en el CoFeB

Existe un fenómeno conocido que esquiva el problema de la corriente. Si se golpea ciertos materiales magnéticos con un pulso de láser ultracorto, los espines se voltean solos, sin corriente ni cable. Se llama conmutación totalmente óptica, y como la luz puede actuar sobre un imán mucho más rápido que la corriente, se calcula que produce una conmutación del orden de mil veces más veloz que la eléctrica, gastando una fracción mínima de energía.

El detalle es que los materiales capaces de hacer ese truco eran una familia particular de ferrimagnetos que servían pésimo como memoria. Sus espines no estaban bien alineados, así que al intentar leer el bit, el "arriba" y el "abajo" se parecían demasiado para distinguirlos con confianza. Inservibles para almacenar.

El material que sí hace una buena memoria es el CoFeB, una aleación de cobalto, hierro y boro. Combinado con óxido de magnesio entrega espines casi perfectamente alineados, lo que da una lectura limpia y segura. Lo frustrante era que el CoFeB sencillamente ignoraba la luz. Le apuntabas con un láser y no pasaba nada. Durante años, las dos cualidades que uno quería —que se escriba con luz y que se lea como memoria— vivían en materiales distintos que no querían combinarse.

La respuesta de tres capas

La jugada del equipo del QST fue dejar de tratar al CoFeB como un material único y empezar a tratarlo como una capa dentro de una pila. Construyeron lo que llaman un ferrimagneto artificial: un sándwich de cobalto, gadolinio y CoFeB, apilado de modo que las capas vecinas apunten en sentidos opuestos. Con las proporciones justas, la pila entera se comporta como uno de esos ferrimagnetos sensibles a la luz, mientras que la capa de CoFeB conserva la lectura limpia que la hacía valiosa desde el inicio.

Lo "justo" resultó brutalmente preciso. Cada capa tuvo que controlarse con una exactitud de una décima de nanómetro —menos que un solo átomo— y la estructura completa, ajustarse en un rango por debajo de diez nanómetros. Para ver qué ocurría dentro del sándwich, el equipo usó NanoTerasu, la instalación de radiación sincrotrón en el campus de la Universidad de Tohoku que produce rayos X unas cien veces más brillantes que las máquinas anteriores, junto con una técnica que lee el estado de espín de cada elemento de la pila. Esa imagen a escala atómica fue lo que les permitió afinar el diseño hasta que un único pulso láser de femtosegundos volteara todas las capas a la vez, de forma confiable y repetida sin degradarse.

Un detalle lo separa de los intentos anteriores: en las pilas conmutables por luz previas, la capa de CoFeB quedaba a distancia, separada de las capas activas por un espaciador no magnético. Aquí, todas las capas, incluido el CoFeB, están acopladas directamente entre sí. Ese contacto directo es buena parte de por qué funciona.

Esquema que muestra cómo se invierten los espines de los electrones al iluminar el material desarrollado con un pulso de luz

Fuente: Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Cuántica (QST), comunicado de prensa

Qué podría cambiar

Conviene ser claro sobre la etapa en que está esto. El equipo demostró la operación básica del material: la prueba de que la conmutación ocurre y se repite. Un chip de memoria terminado, con el dispositivo miniaturizado y un proceso de fabricación detrás, todavía queda más adelante en el camino.

Lo interesante del resultado no es tanto la cifra de velocidad como el puente que tiende. El CoFeB es el material que la industria de la memoria ya sabe usar. Mostrar que este material se puede escribir con luz, y no algún compuesto exótico que nadie fabrica, es lo que convierte la "física curiosa" en "algo sobre lo que un ingeniero podría construir de verdad". Y como ahora los datos se escriben con luz, el camino apunta a chips que encajen con naturalidad en la costura entre la comunicación óptica (la fibra que transporta internet) y los circuitos electrónicos que hacen el cálculo. Los centros de datos, donde el consumo eléctrico se volvió un dolor de cabeza real, son el lugar evidente donde una memoria así importaría.

Por ahora, es un solo destello de luz que voltea un imán que no debía moverse. Y eso ya basta para no perderlo de vista.

¿En qué etapa está la investigación de memorias de nueva generación donde usted vive? ¿Y confiaría en un chip que escribe con luz?

Referencias