General

Cómo almacenar datos en imanes del tamaño de un solo átomo


El magnetismo es útil de muchas maneras, y el efecto de memoria magnética aparece incluso a nivel atómico.

Hay un adagio que dice que los datos se expandirán para llenar toda la capacidad disponible. Quizás hace diez o 20 años, era común almacenar programas de software, música MP3, películas y otros archivos, cuya recopilación puede haber llevado años. En los días en que las unidades de disco duro ofrecían unas pocas decenas de gigabytes de almacenamiento, quedarse sin espacio era casi inevitable.

Ahora que tenemos Internet de banda ancha rápida y no pensamos en descargar un DVD de 4.7 gigabytes, podemos acumular datos aún más rápido. Las estimaciones de la cantidad total de datos almacenados en todo el mundo aumentarán de 4,4 billones de gigabytes en 2013 a 44 billones de gigabytes en 2020. Esto significa que estamos generando un promedio de 15 millones de gigabytes por día. Aunque las unidades de disco duro ahora se miden en miles de gigabytes en lugar de decenas, todavía tenemos un problema de almacenamiento.

La investigación y el desarrollo se centran en desarrollar nuevos medios de almacenamiento de datos que sean más densos y, por lo tanto, puedan almacenar mayores cantidades de datos y hacerlo de una manera más eficiente desde el punto de vista energético. A veces, esto implica actualizar las técnicas establecidas: recientemente IBM anunció una nueva tecnología de cinta magnética que puede almacenar 25 gigabytes por pulgada cuadrada, un nuevo récord mundial para la tecnología de 60 años. Si bien los discos duros de consumo de estado sólido o magnéticos actuales son más densos con alrededor de 200 gigabytes por pulgada cuadrada, las cintas magnéticas todavía se utilizan con frecuencia para realizar copias de seguridad de datos.

Sin embargo, la vanguardia de la investigación del almacenamiento de datos está trabajando a nivel de átomos y moléculas individuales, lo que representa el límite último de la miniaturización tecnológica.

La búsqueda de imanes atómicos

Las tecnologías actuales de almacenamiento de datos magnéticos, las que se utilizan en los discos duros tradicionales con platos giratorios, el estándar hasta hace unos años y todavía común en la actualidad, se construyen utilizando métodos "de arriba hacia abajo". Esto implica hacer capas delgadas a partir de una gran pieza de material ferromagnético, cada una de las cuales contiene los muchos dominios magnéticos que se utilizan para almacenar datos. Cada uno de estos dominios magnéticos está formado por una gran colección de átomos magnetizados, cuya polaridad magnética la establece el cabezal de lectura / escritura del disco duro para representar los datos como uno binario o como cero.

Un método alternativo "de abajo hacia arriba" implicaría la construcción de dispositivos de almacenamiento colocando átomos o moléculas individuales uno por uno, cada uno capaz de almacenar un solo bit de información. Los dominios magnéticos retienen su memoria magnética debido a la comunicación entre grupos de átomos magnetizados vecinos.

Los imanes de un solo átomo o de una sola molécula, por otro lado, no requieren esta comunicación con sus vecinos para retener su memoria magnética. En cambio, el efecto memoria surge de la mecánica cuántica. Entonces, debido a que los átomos o moléculas son mucho, mucho más pequeños que los dominios magnéticos que se usan actualmente, y se pueden usar individualmente en lugar de en grupos, se pueden empaquetar más juntos, lo que podría resultar en un enorme aumento en la densidad de datos.

Trabajar con átomos y moléculas como este no es ciencia ficción. Los efectos de la memoria magnética en los imanes de una sola molécula (SMM) se demostraron por primera vez en 1993, y en 2016 se mostraron efectos similares para los imanes de un solo átomo.

Subiendo la temperatura

El principal problema que se interpone en el camino de trasladar estas tecnologías fuera del laboratorio a la corriente principal es que aún no funcionan a temperatura ambiente. Tanto los átomos individuales como los SMM requieren enfriamiento con helio líquido (a una temperatura de –269 ° C), un recurso caro y limitado. Por lo tanto, el esfuerzo de investigación durante los últimos 25 años se ha concentrado en elevar la temperatura a la que se puede observar la histéresis magnética, una demostración del efecto de memoria magnética. Un objetivo importante es –196 ° C, porque es la temperatura que se puede alcanzar con nitrógeno líquido, que es abundante y barato.

Se necesitaron 18 años para el primer paso sustantivo hacia el aumento de la temperatura en la que es posible la memoria magnética en los SMM: un aumento de 10 ° C logrado por investigadores en California. Pero ahora nuestro equipo de investigación de la Facultad de Química de la Universidad de Manchester ha logrado histéresis magnética en un SMM a –213 ° C utilizando una nueva molécula basada en el elemento de tierras raras disprosocenio, como se informa en una carta a la revista Nature. Con un salto de 56 ° C, esto está a solo 17 ° C de la temperatura del nitrógeno líquido.

Usos futuros

Sin embargo, existen otros desafíos. Para almacenar prácticamente bits individuales de datos, las moléculas deben estar fijadas a superficies. Esto se ha demostrado con SMM en el pasado, pero no con esta última generación de SMM de alta temperatura. Por otro lado, la memoria magnética en átomos individuales ya se ha demostrado en una superficie.

La prueba definitiva es la demostración de la escritura y la lectura de datos de forma no destructiva en átomos o moléculas individuales. Esto se logró por primera vez en 2017 por un grupo de investigadores de IBM que demostró el dispositivo de almacenamiento de memoria magnética más pequeño del mundo, construido alrededor de un solo átomo.

Pero independientemente de si los dispositivos de almacenamiento de un solo átomo o de una sola molécula se vuelven realmente prácticos, los avances en la ciencia fundamental que se están realizando a lo largo de este camino son fenomenales. Las técnicas de química sintética desarrolladas por grupos que trabajan en SMM ahora nos permiten diseñar moléculas con propiedades magnéticas personalizadas, que tendrán aplicaciones en computación cuántica e incluso en imágenes por resonancia magnética.

Nicholas Chilton, investigador de la Facultad de Química, Universidad de Manchester

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.


Ver el vídeo: Conferencia. Juan Ignacio Cirac - Ordenadores cuánticos: cómo, cuándo y para qué (Noviembre 2021).