Microscopía por efecto túnel en tiempo real y memorias DRAM espintrónicas

La microscopia por efecto túnel (STM) de alta resolución ha logrado una nueva dimensión, el tiempo: ver cómo los estados excitados de los átomos y moléculas en una superficie evolucionan bajo un campo eléctrico o la excitación de un láser. Un alarde técnico que por ahora solo permite acceder a la escala de los nanosegundos, pero los avances no tardarán en llegar. El vídeo que acompaña esta entrada ilustra bien el resultado obtenido, que nos cuenta en detalle Markus Morgenstern, “Physics: STM Ready for the Time Domain,” Perspectives, Science 329: 1609-1610, 24 September 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Sebastian Loth, Markus Etzkorn, Christopher P. Lutz, D. M. Eigler, and Andreas J. Heinrich, “Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution,” Science 329: 1628-1630, 24 September 2010.

PS [vía Mezvan y Colin R. Johnson, “IBM caracteriza a un solo átomo de DRAM,” EE Times, 23/sep/2010]: ¿Para qué sirve un microscopio de efecto túnel (STM) tan rápido que permite observar la excitación de un átomo? La aplicación más obvia es en el desarrollo de memorias espintrónicas, que almacenan cada bit de información en un solo átomo. El STM permite tanto leer la información almacenada como escribirla aplicando pulsos que exciten, uno a uno, a los átomos (en este caso son átomos de hierro, cobre y dímeros de hierro-cobre, estos últimos permiten tiempos de relajación más largos). El problema del STM es que es una tecnología lenta. La nueva técnica desarrollada por los físicos Loth, Lutz, Eigler y Heinrich del Centro de Investigación de IBM en Almadén, San José, California, junto al físico suizo Etzkorn de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, permite utilizar esta tecnología en la escala de los (cientos de) nanosegundos y promete ser el primer paso para lograr desarrollar memorias DRAM espintrónicas.

¿Qué es una memoria DRAM o RAM dinámica? Las memorias de estado sólido de todos los ordenadores se basan en almacenar cada bit como una pequeña carga almacenada en un pequeño condensador. El condensador se descarga de forma espontánea, por lo que la memoria es volátil y periódicamente hay que refrescarla, por eso se llama RAM (memoria de acceso aleatorio) dinámica o DRAM. Hay que volver a leer toda la memoria y volver a escribirla completa cada 50 milisegundos más o menos. Un tiempo enorme comparado con la velocidad de acceso a los datos de estas memorias por la CPU (unidad central de proceso) de tu ordenador. Las memorias de estado sólido basadas en procesos magnéticos, como la memorias Flash de tu pen, evitan este problema, pero a costa de que la lectura de los datos es muchísimo más lenta.

¿Qué es una memoria DRAM espintrónica? En estas memorias la información se almacena en átomos individuales excitando estos átomos (un electrón pasa de un estado de energía fundamental a un estado de energía excitado). Su problema es el mismo que las memorias DRAM, de forma espontánea el átomo excitado decae en su estado fundamental. La diferencia con las memorias DRAM convencionales es que el tiempo de vida media del estado excitado es solo de unos cientos de nanosegundos, en el mejor caso. Por tanto, las velocidades de refresco de la memoria deben ser de solo decenas de nanosegundos o incluso menos.

El nuevo avance de los físicos de IBM es importante porque ha permitido leer y escribir en una memoria de unos pocos bits (átomos de hierro y dímeros hierro-cobre) en tiempos menores que el tiempo de relajación de los estados excitados de estos átomos. Es un avance importante pero todavía es muy pronto para que soñemos con memorias espintrónicas masivas basadas en esta tecnología. Quizás por ello Heinrich ve el futuro de esta tecnología en la computación cuántica. Los estados excitados de varios átomos de hierro muy cercanos pueden ser entrelazados y podrían ser la base para una tecnología de estado sólido para ordenadores cuánticos. Obviamente, todavía es muy pronto para pensar en estas aplicaciones, pero si Heinrich (autor principal del trabajo técnico) las tiene en la cabeza es una buena señal.

2 pensamientos en “Microscopía por efecto túnel en tiempo real y memorias DRAM espintrónicas

    • Gracias, Mezvan. Ni Morgenstern ni los autores del artículo técnico mencionan, ni de pasada, la posible aplicación de sus resultados en el contexto de memorias DRAM espintrónicas, aunque quizás tendría que haberlo imaginado estando afiliados 4 de los 5 autores a un centro de investigación de IBM en California (el quinto en discordia en Lausana, Suiza).

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