Un dispositivo magnético 2D permite una computación probabilística similar a la del cerebro

Los investigadores han innovado en un método para manipular pequeños estados magnéticos en imanes 2D de van der Waals, lo que podría permitir la creación de dispositivos de memoria avanzados y nuevos tipos de computadoras. Su avance permite el control de dominios magnéticos utilizando una energía mínima, abriendo las puertas a tecnologías informáticas más rápidas y eficientes, incluido el desarrollo de computadoras probabilísticas que imitan las conexiones neuronales en el cerebro. Crédito: SciTechDaily.com

Investigadores de la Universidad de Wyoming han desarrollado un nuevo método para controlar los estados magnéticos en materiales 2D, prometiendo avances revolucionarios en tecnología informática y eficiencia energética.

Imagine un futuro en el que las computadoras puedan aprender y tomar decisiones de maneras que imiten el pensamiento humano, pero con una velocidad y eficiencia que sean órdenes de magnitud mayores que la capacidad actual de las computadoras.

Una revolución en el control magnético

Un equipo de investigación de la Universidad de Wyoming ha creado un método innovador para controlar pequeños estados magnéticos dentro de imanes ultrafinos bidimensionales (2D) de Van der Waals, un proceso similar a cómo accionar un interruptor de luz controla una bombilla.

«Nuestro descubrimiento podría conducir a dispositivos de memoria avanzados que almacenen más datos y consuman menos energía o permitir el desarrollo de tipos de computadoras completamente nuevos que puedan resolver rápidamente problemas que actualmente son intratables», dice Jifa Tian, ​​profesor asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Washington. y Astronomía y director interino del Centro de Ingeniería y Ciencia de la Información Cuántica de la Universidad de Washington.

Jifa Tian, ​​​​profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Wyoming y director interino del Centro de Ingeniería y Ciencia de la Información Cuántica de la Universidad de Washington. Crédito: Universidad de Wyoming

Tian fue autor correspondiente de un artículo titulado «Tunelización de estados de giro controlados por corriente en imanes de van der Waals de pocas capas», que se publicó el 1 de mayo en Comunicaciones de la naturalezauna revista multidisciplinaria de acceso abierto dedicada a la publicación de investigaciones de alta calidad en todas las áreas de las ciencias biológicas, de la salud, físicas, químicas, de la Tierra, sociales, matemáticas, aplicadas y de ingeniería.

Entendiendo los materiales de van der Waals

Los materiales de Van der Waals están hechos de capas 2D fuertemente unidas que están unidas en la tercera dimensión por fuerzas de Van der Waals más débiles. Por ejemplo, el grafito es un material de Van der Waals muy utilizado en la industria en electrodos, lubricantes, fibras, intercambiadores de calor y baterías. La naturaleza de las fuerzas de Van der Waals entre las capas permite a los investigadores utilizar cinta adhesiva para pelar las capas hasta alcanzar un espesor atómico.

El equipo desarrolló un dispositivo conocido como unión de túnel magnético, que utiliza triyoduro de cromo (un imán aislante 2D de solo unos pocos átomos de espesor) intercalado entre dos capas de grafeno. Al enviar una pequeña corriente eléctrica, llamada corriente de túnel, a través de este sándwich, se puede dictar la dirección de orientación del imán de los dominios magnéticos (de unos 100 nanómetros de tamaño) dentro de las capas individuales de triyoduro de cromo, dice Tian.

Avances en el control del giro magnético

Específicamente, «esta corriente de túnel no sólo puede controlar la dirección del cambio entre dos estados de espín estables, sino que también induce y manipula el cambio entre estados de espín metaestables, llamado cambio estocástico», dice ZhuangEn Fu, estudiante de posgrado en el laboratorio de investigación de Tian. y ahora un postdoctorado. becario de la Universidad de Maryland.

“Este avance no sólo es intrigante; es muy práctico. Consume tres órdenes de magnitud menos de energía que los métodos tradicionales, similar a cambiar una bombilla vieja por una LED, lo que lo convierte en un potencial elemento de cambio para la tecnología futura», afirma Tian. «Nuestra investigación podría conducir al desarrollo de nuevos dispositivos informáticos que son más rápidos, más pequeños, más eficientes energéticamente y más potentes que nunca. Nuestra investigación marca un avance significativo en el magnetismo en el límite 2D y sienta las bases para computadoras nuevas y potentes, como las computadoras probabilísticas”.

Desarrollo de Computadoras Probabilísticas

Las computadoras tradicionales usan bits para almacenar información como 0 y 1. Este código binario es la base de todos los procesos informáticos clásicos. Las computadoras cuánticas utilizan bits cuánticos que pueden representar «0» y «1» al mismo tiempo, lo que aumenta exponencialmente la potencia de procesamiento.

«En nuestro trabajo, desarrollamos lo que se puede considerar un bit probabilístico, que puede cambiar entre ‘0’ y ‘1’ (dos estados de giro) basándose en las probabilidades controladas de la corriente del túnel», dice Tian. «Estos bits se basan en las propiedades únicas de los imanes ultrafinos 2D y pueden conectarse entre sí de una manera similar a las neuronas del cerebro para formar un nuevo tipo de computadora, conocida como computadora probabilística.

Revolucionando la informática con nuevas tecnologías

“Lo que hace que estas nuevas computadoras sean potencialmente revolucionarias es su capacidad para manejar tareas que son increíblemente desafiantes para las computadoras tradicionales e incluso cuánticas, como ciertos tipos de complejos. aprendizaje automático tareas y problemas de procesamiento de datos”, continúa Tian. «Son naturalmente tolerantes a errores, de diseño simple y ocupan menos espacio, lo que puede conducir a tecnologías informáticas más eficientes y potentes».

Referencia: «Tunelización de estados de giro controlados por corriente en imanes de van der Waals de pocas capas» por ZhuangEn Fu, Piumi I. Samarawickrama, John Ackerman, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Wenyong Wang, Yuri Dahnovsky, Mingzhong Wu , TeYu Chien, Jinke Tang, Allan H. MacDonald, Hua Chen y Jifa Tian, ​​​​1 de mayo de 2024, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47820-5

Hua Chen, profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Colorado, y Allan MacDonald, profesor de física en la Universidad de Texas-Austin, colaboraron para desarrollar un modelo teórico que aclara cómo las corrientes de túnel influyen en los estados de espín en uniones de túneles magnéticos 2D. Otros contribuyentes fueron de la Universidad Penn State, la Universidad Northeastern y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Namiki, Tsukuba, Japón.

El estudio fue financiado con subvenciones del Departamento de Energía de EE.UU.; Wyoming NASA EPSCoR (Programa establecido para estimular la investigación competitiva); la Fundación Nacional de Ciencias; y la Iniciativa del Centro Internacional de Investigación World Premier y el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología, ambos en Japón.