El futuro de los discos duros para ordenadores portátiles

Cuando parecía que el disco duro tenía sus días contados, debido a la gran rebaja en los precios de las memorias de estado sólido tipo flash, de menor consumo y mayor velocidad, los físicos de estado sólido descubren una manera de controlar la dirección de magnetización en un sólido utilizando directamente un campo eléctrico (en los discos duros se require que la corriente eléctrica genere un campo magnético que controla dicha inversión). De esta forma se obtienen discos duros de menor consumo de potencia y más rápidos, los competidores ideales para las nuevas memorias de estado sólido.

El descubrimiento se publica hoy en Nature por D. Chiba et al. “Magnetization vector manipulation by electric fields,” Nature, 455: 515-518 ( 2008 ), comentado en el mismo número por Eiji Saitoh, “Solid-state physics: New order for magnetism,” Nature, 455: 474-475 ( 2008 ).

Un material imantable está formado por pequeños imanes a escala atómica (espines) que cuando se aplica un campo magnético externo se alinean en la dirección del campo (rotan sus espines). En los imanes esta rotación se puede hacer permanente. En los discos duros se utiliza este proceso para almacenar información binaria (1 y 0) a base de imantar en dos direcciones opuestas pequeñas regiones de su superficie magnética. Para ello, se aplica un campo eléctrico a un electroimán y éste es el que cambia la dirección del campo magnético del punto magnético del disco. Este proceso “indirecto” consume energía e introduce cierto retraso. La alternativa ideal sería que la corriente eléctrica directamente cambiara la dirección de los imanes sin electroimán intermedio. Eso es lo que han logrado el japonés Chiba y sus colaboradores.

El secreto es un fenómeno físico llamado anisotropía magnética: al  polarizar el espín de los electrones de la corriente eléctrica inyectada en el material, ésta es capaz de reorientar los espines del material (si su estructura electrónica es la adecuada, claro). Chiba et al. modulan la densidad de electrones usando un dispositivo MOS (metal-óxido-semiconductor) utilizando para éste último una película de (Ga,Mn)As que tiene propiedades ferromagnéticas a baja temperatura. Cuando se aplica un voltaje negativo en la puerta (gate, el metal) los portadores de carga positiva en el semiconductor (huecos) son atraídos hacia el electrodo. Por el contrario, al aplicar un voltaje positivo, el número de huecos cerca de la puerta decrece. Esta propiedad permite que la densidad de huecos y con ella la anisotropía magnética de la película de (Ga,Mn)As pueda ser controlada eléctricamente resultando en un cambio en la dirección de magnetización.

La tecnología utilizada por los investigadores japoneses es muy similar a la utilizada actualmente en la fabricación de discos duros, por lo que es de esperar que en pocos años tengamos en el mercado toda una nueva generación de discos duros de bajo de consumo.

Por qué costó 23 años que se aceptara la teoría del electromagnetismo de Maxwell

La revista Microwave Journal celebra este año sus 50 años con una serie de artículos sobre la historia de su industria, las tecnologías de microondas, fundamentales, por ejemplo, para la comunicación mediante teléfonos móviles (celulares). Me ha gustado el artículo de James C. Rautio, “Twenty Three Years: The Acceptance of Maxwell’s Theory,” Microwave Journal, Vol. 51, No. 7, July 2008 .

En 1865, cuando la Guerra Civil Americana estaba acabando, Maxwell publicó “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” en las Transactions de la Royal Society , Vol. CLV, un artículo que había presentado oralmente en diciembre de 1864. En su artículo afirmaba que “la luz y el magnetismo son resultado de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga de acuerda con las leyes del electromagnetismo.” Obtuvo este resultado tras comparar varios valores que medían la velocidad de la luz, en concreto 314.858.000 m/s (M. Fizeau), 298.000.000 m/s (M. Foucault) y 308.000.000 m/s (por aberración estelar), con el resultado de sus cálculos teóricos.

Maxwell resolvió uno de los problemas más difíciles de la física, la naturaleza de la luz. Pero su descubrimiento necesitó 23 años para ser aceptado. ¿Por qué? Uno de los problemas de la teoría de Maxwell es que no ofrecía ningún modelo mecánico del “éter luminífero,” el medio en el que “supuestamente” se propagaban las ondas de luz, que eran transversales, sin vibración longitudinal. ¿Qué medio mecánico podía sostener este tipo de vibraciones?  ¿Qué es lo que “realmente” modelaban las 20 ecuaciones diferenciales de Maxwell? Recuerda que la notación actual (4 ecuaciones vectoriales) es muy posterior a Maxwell, quien escribió sus ecuaciones componente a componente y en su versión “breve” basada en los cuaterniones de Hamilton.

Un físico actual encontraría dificultades a la hora de reconocer las 20 ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo. Para Maxwell, la magnitud fundamental era el “momento electromagnético” (cuya derivada en tiempo genera una fuerza) ya que trataba de formalizar el concepto de “estado electrotónico” de Faraday, por lo que introdujo el potencial vector magnético, al que bautizó con la letra A, como magnitud fundamental, siendo el campo magnético, letra B, una magnitud “secundaria”.

Maxwell murió en 1879 siendo famoso por sus contribuciones en termodinámica estadística (teoría molecular en la época) pero con muy poco reconocimiento por su teoría electromagnético. De hecho, él mismo no supo “vender” la gran importancia de dicha teoría (cuyas ecuaciones matemáticas eran extremadamente difíciles para la época). Tampoco dejó una escuela, alumnos o colegas, que continuaran su trabajo en esta materia. ¿Quién continuó el desarrollo del electromagnetismo? 2 días después de la muerte de Maxwell, la Royal Society envió a George Francis FitzGerald (del Trinity College de Dublín) la revisión por el propio Maxwell de un artículo suyo sobre el electromagnetismo.

Maxwell publicó una monografía científica sobre el electromagnetismo en 1873. En dicha monografía no trataba sobre la reflección o refracción de la luz. FitzGerald se estudió dicho libro con mucho detalle, encontrando analogías con un modelo para el éter desarrollado por MacCullagh (también del Trinity College de Dublín). Gracias a esta analogía, FitzGerald fue capaz de añadir a la teoría de Maxwell la teoría de la reflección y de la refracción de la luz. El problema del éter de MacCullagh (descubierto por Stokes) era que no conservaba el momento angular, con lo que los resultados de FitzGerald no fueron valorados en su justa medida.

En 1879, Oliver Lodge (del University College en Liverpool) amigo de FitzGerald y “amante” de la teoría de Maxwell, desarrolló un modelo mecánico de cómo se podría generar una onda electromagnética de luz: aplicando un voltaje a través de un conmutador que oscilara muy rápidamente. FitzGerald, tras un gran esfuerzo, encontró una solución de las ecuaciones de Maxwell para una corriente eléctrica que variara en el tiempo, pero su solución no presentaba radiación. De donde concluyó que era “imposible” generar ondas electromagnéticas de forma eléctrica. Lo que no vió FitzGerald es que se había equivocado en el tratamiento de la condición de contorno para el potencial vector. Este resultado hizo que la búsqueda experimental de la generación de ondas electromagnéticas mediante campos eléctricos se retrasara unos años.

El gran genio que revolucionó el electromagnetismo fue Oliver Heaviside. Un genio matemático en toda regla, que nunca fue a la universidad, y aprendió ciencia y matemáticas de forma autodidacta (leyendo libros de la biblioteca). Heaviside reescribió las ecuaciones de Maxwell en su forma moderna. Heaviside se “enamoró” del tratado de Maxwell cuando cayó en sus manos “calentito” de la imprenta, en 1873. En ella época Heaviside trabajaba como telegrafista. Uno de sus primeras grandes contribuciones fue derivar la ecuación del telegrafista (la que modela la propagación de señales eléctricas en cables) a partir de la teoría de Maxwell.

En el verano de 1884, Heaviside empezó a estudiar el flujo de energía en el campo electromagnético de Maxwell. Su demostración era muy complicada, pero el resultado extremadamente simple S=ExH (aunque este resultado fue publicado por Poynting, en Birmingham, unos meses antes). En manos de Heaviside este resultado era muy importante ya que indicaba que la energía electromagnética se propagaba a velocidad finita evitando la “acción a distancia” que muchos repudiaban en la teoría de Maxwell. Trabajando con el concepto de energía en el campo, Heaviside encontró una nueva manera de expresar las ecuaciones de Maxwell, en solo 4 ecuaciones diferenciales para la divergencia y el rotacional de cuatro campos E, H, D y B. Los potenciales escalar (eléctrico) y vectorial (magnético) fueron relegados a un segundo plano por Heaviside. ¿Por qué no se llaman ecuaciones de Heaviside? El propio autor nos da la respuesta, ya que en su publicación de las mismas afirma que estas “nuevas” ecuaciones deben llamarse “ecuaciones de Maxwell.”

En 1888 entran en esta historia los físicos alemanes. Hermann von Helmholtz le había pedido a Heinrich Hertz (uno de sus estudiantes en Berlín) que estudiara experimentalmente la validez de las teorías del electromagnetismo de Maxwell, Weber y Neumann (teorías diferentes “competidoras” en aquella época). Hertz publicó en 1888 en Annalen der Physik un artículo en el que estudiaba la descarga de un condensador a través de un bucle observando una condición de resonancia que le llevó a pensar que se generaban ondas electromagnéticas. Estudió la reflección, refracción, difracción, y polarización de la luz tanto en ondas no guiadas como en las guiadas en un cable. La presentación de Hertz en septiembre de 1888 ante la British Association (en Bath) lo elevó a “héroe”. Sus resultados confirmaban completamente la teoría del electromagnetismo de Maxwell. Maxwell, tras 23 años, era elevado al “cielo de los genios.”  

Hertz descubrió, independientemente de Heaviside, la teoría de 4 ecuaciones vectoriales de Maxwell, pero siempre afirmó que la prioridad era de Heaviside y siguiéndole decidió llamar a “sus ecuaciones” con el nombre de ecuaciones de Maxwell. De hecho, en Alemania fueron llamadas durante muchos años ecuaciones de Hertz-Maxwell. Hertz recibió la prestigiosa Medalla Rumford de la Royal Society en 1890 por su trabajo (cuando ya era catedrático de física en Bonn).

En 1887, Michelson y Morley realizaron su famoso experimento interferométrico con el que se empezó a dudar de la existencia del éter. Pero la historia de la llegada de las ideas de Lorentz, Einstein y otros, quien observaron que las ecuaciones de Maxwell eran “invariantes relativistas” y requerían una nueva mecánica con la misma invarianza, “mecánica relativista,” es otra historia.