Los óxidos complejos podrían alimentar las computadoras del futuro

A medida que la evolución de los microchips estándar está llegando a su fin, los científicos buscan una revolución. Los grandes desafíos son diseñar chips que sean más eficientes energéticamente y diseñar dispositivos que combinen memoria y lógica (memristores). Científicos de materiales de la Universidad de Groningen, Países Bajos, describen en dos artículos cómo se pueden usar óxidos complejos para crear dispositivos de órbita de espín magnetoeléctricos (MESO) muy eficientes energéticamente y dispositivos memristivos con dimensiones reducidas.

El desarrollo de las computadoras clásicas basadas en silicio se acerca a sus límites. Para lograr una mayor miniaturización y reducir el consumo de energía, se requieren diferentes tipos de materiales y arquitecturas.

Tamalika Banerjee, profesora de espintrónica de materiales funcionales en el Instituto Zernike de Materiales Avanzados de la Universidad de Groningen, está analizando una gama de materiales cuánticos para crear estos nuevos dispositivos. “Nuestro enfoque es estudiar estos materiales y sus interfaces, pero siempre con la vista puesta en las aplicaciones, como la memoria o la combinación de memoria y lógica”.

Más eficiente

El grupo de Banerjee demostró previamente cómo se puede usar el titanato de estroncio dopado para crear memristores, que combinan memoria y lógica. Recientemente publicaron dos artículos sobre dispositivos ‘más allá de CMOS’, los semiconductores de óxido de metal complementario que son los componentes básicos de los chips informáticos actuales.

Un candidato para reemplazar el CMOS es el dispositivo de órbita giratoria magnetoeléctrica (MESO), que podría ser de 10 a 30 veces más eficiente. Se han investigado varios materiales por su idoneidad para crear un dispositivo de este tipo. Job van Rijn, un Ph.D. estudiante del grupo Banerjee, es el primer autor de un artículo en Revisión física B publicado en diciembre de 2022, que describe cómo el manganato de estroncio (SrMnO₃ o SMO para abreviar) podría ser un buen candidato para dispositivos MESO.

«Es un material multiferroico que combina espintrónica y efectos basados ​​en carga», explica van Rijn. La espintrónica se basa en el espín (el momento magnético) de los electrones.

Banerjee dice: «Las ordenaciones magnéticas y de carga están acopladas en este material, por lo que podemos cambiar el magnetismo con un campo eléctrico y la polarización con un campo magnético». Y, lo que es más importante, estos efectos están presentes a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente. Van Rijn está investigando el fuerte acoplamiento entre los dos efectos. «Sabemos que el ferromagnetismo y la ferroelectricidad se pueden sintonizar filtrando una película delgada de SMO. Esta tensión se realizó haciendo crecer las películas en diferentes sustratos».

Cepa

Van Rijn estudia cómo la tensión induce ferroelectricidad en el material y cómo afecta el orden magnético. Analizó los dominios en las películas filtradas y notó que las interacciones magnéticas dependen en gran medida de la estructura cristalina y, en particular, de las vacantes de oxígeno, que modifican la dirección preferida del orden magnético.

«Los experimentos de transporte de espín nos llevan a la conclusión de que los dominios magnéticos juegan un papel activo en los dispositivos que están hechos de este material. Por lo tanto, este estudio es el primer paso para establecer el uso potencial del manganato de estroncio para nuevas arquitecturas informáticas».

El 14 de febrero, el grupo Banerjee publicó un segundo artículo sobre dispositivos ‘más allá de CMOS’ en la revista Materiales electrónicos avanzados. Doctor. El estudiante Anouk Goossens es el primer autor de este artículo sobre la miniaturización de memristores basados ​​en titanato de estroncio dopado con niobio (SrTiO₃ o STO). «La cantidad de dispositivos por unidad de superficie es importante», dice Goossens. «Pero algunos tipos de memristores son difíciles de reducir».

Goossens demostró previamente que era posible crear dispositivos de «lógica en memoria» usando STO. Su último artículo muestra que es posible reducir la escala de estos dispositivos. Un problema común con los memristores es que su rendimiento se ve afectado negativamente por la miniaturización. Sorprendentemente, hacer memristores más pequeños a partir de STO aumenta la diferencia entre la relación de resistencia alta y baja.

«Estudiamos el material usando microscopía electrónica de transmisión de barrido y notamos la presencia de una gran cantidad de vacantes de oxígeno en la interfaz entre el sustrato y el electrodo del dispositivo», dice Goossens. «Después de que aplicamos un voltaje eléctrico, notamos un movimiento de vacante de oxígeno, que es un factor clave para controlar los estados de resistencia».

Nuevo diseño

La conclusión es que el rendimiento mejorado se debe a los efectos de borde, que pueden ser perjudiciales para la memoria normal. Pero en STO, el aumento del campo eléctrico en los bordes en realidad respalda la función del memristor. “En nuestro caso, el borde es el dispositivo”, concluye Goossens. «Además, las propiedades exactas dependen de la cantidad de dopaje de niobio, por lo que el material se puede ajustar para diferentes propósitos».

En conclusión, ambos artículos publicados por el grupo muestran el camino hacia nuevas arquitecturas informáticas. De hecho, los memristores STO han inspirado a colegas de Goossens y Banerjee en el Instituto Bernoulli de Matemáticas, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial de la Universidad de Groningen y CogniGron (Centro de Materiales y Sistemas Cognitivos de Groningen), quienes ya han ideado un nuevo diseño para la arquitectura de la memoria. .

«Esto es exactamente para lo que estamos trabajando», dice Banerjee. «Queremos comprender la física de los materiales y la forma en que funcionan nuestros dispositivos para luego desarrollar aplicaciones». Goosens: «Visualizamos varias aplicaciones y la que estamos analizando es un generador de números aleatorios que funciona sin un algoritmo y, por lo tanto, es imposible de predecir».