Los físicos de la Universidad de Utah almacenaron 112 segundos de información en lo que probablemente sea la memoria de computadora más pequeña del mundo: el “giro” magnético del centro o núcleo de un átomo. Luego, los físicos adquirieron y leyeron los datos electrónicamente. Este es un gran paso hacia el uso de un nuevo tipo de memoria tanto para computadoras convencionales más rápidas como para computadoras “cuánticas” ultrarrápidas.
Los físicos de la Universidad de Utah almacenaron 112 segundos de información en lo que probablemente sea la memoria de computadora más pequeña del mundo: el “giro” magnético del centro o núcleo de un átomo. Luego, los físicos adquirieron y leyeron los datos electrónicamente. Este es un gran paso hacia el uso de un nuevo tipo de memoria tanto para computadoras convencionales más rápidas como para computadoras “cuánticas” ultrarrápidas.
“Las longitudes de memoria de espín que observamos son más que suficientes para crear memorias de computadora”, dice Christoph Boehme (pronunciado “boom”), profesor asociado de física y autor principal de un nuevo estudio publicado el viernes en la revista Science. “Es una forma completamente nueva de almacenar y leer información”.
Sin embargo, quedan algunos obstáculos técnicos importantes. Los dispositivos de lectura y almacenamiento de espín nuclear funcionan solo a 3,2 grados Kelvin, ligeramente por encima del cero absoluto. Esta temperatura es la temperatura a la que los átomos están casi congelados y solo se balancean ligeramente. Y el dispositivo debe estar rodeado por un poderoso campo magnético, unas 200.000 veces más fuerte que el de la Tierra.
“Sí, puede construir un chip de memoria de esta manera rápidamente, pero ¿necesita una computadora que deba operar a menos de 454 grados Fahrenheit en el entorno de un gran laboratorio nacional de magnetismo?”, dice Boehme. “Primero, queremos aprender cómo hacerlo a altas temperaturas, lo que es más práctico para los dispositivos, sin usar fuertes campos magnéticos para alinear los espines”.
En cuanto a la lectura eléctrica de los datos contenidos en el núcleo, “nadie ha hecho esto antes”, añade.
Hace dos años, otro grupo de científicos informó que almacenaba los llamados datos cuánticos durante dos segundos dentro del núcleo, pero sin leerlos electrónicamente, como hicieron Boehme y otros en un nuevo estudio que utilizó datos clásicos (0 o 1) en lugar de datos cuánticos (0 y 1 al mismo tiempo). La técnica fue desarrollada en un estudio de 2006 por Boehme, quien demostró que era posible leer datos almacenados en el espín magnético neto de 10.000 electrones en átomos de fósforo incrustados en semiconductores de silicio.
El nuevo trabajo combina el almacenamiento nuclear de datos con la lectura eléctrica de esos datos.”Eso es lo nuevo”, dice Boehme.
El estudio fue dirigido por Boehme y el autor principal Dane McKamey. Es ex profesor asistente de física en la Universidad de Utah y actualmente es profesor asistente adjunto. Su afiliación principal actual es la Universidad de Sydney. Otros coautores fueron Hans van Toll del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, Tallahassee, Florida, y Gavin Morley del University College London.
El trabajo fue financiado por el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, la Fundación Nacional de Ciencias, el Consejo Australiano de Investigación, el Consejo Británico de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas y el organismo de financiación británico, la Comisión Real para las Exposiciones de 1851, dirigida por el Príncipe Felipe.
de almacenamiento electrónico y espintrónico
Las computadoras modernas son electrónicas. Es decir, la información se procesa y almacena al pasar electricidad en forma de electrones. Un electrón es una partícula elemental cargada negativamente que orbita alrededor del núcleo de cada átomo. Los transistores en las computadoras son interruptores eléctricos que almacenan datos como “bits”, donde “apagado” (sin carga) y “encendido” (cargado) representan un bit de información: 0 o 1.
Las computadoras cuánticas, un objetivo aún por realizar, se basan en los extraños principios de la mecánica cuántica, lo que permite que las partículas más pequeñas de luz y materia existan en diferentes lugares al mismo tiempo. En una computadora cuántica, un solo qubit o “qubit” puede ser 0 y 1 al mismo tiempo. Esto significa que, en teoría, las computadoras cuánticas podrían ser miles de millones de veces más rápidas que las computadoras clásicas.
McKamey dice que la memoria hecha de silicio “dopado” con átomos de fósforo podría usarse tanto en computadoras electrónicas convencionales como en computadoras cuánticas, donde los datos no se almacenan mediante cargas “activadas” o “desactivadas”, sino mediante el giro magnético “arriba” o “abajo” de los núcleos de los átomos de fósforo.
Se utiliza un campo eléctrico aplicado externamente para leer y procesar los datos almacenados como “espines”. Esto es exactamente lo que hicieron McKamey, Boehme y sus colegas en su último estudio. Al demostrar la capacidad de leer los datos almacenados en los espines nucleares, los físicos han dado un paso importante al vincular los espines con la electrónica convencional, un campo llamado espintrónica.
Spin es un concepto difícil de entender. Una forma sencilla de describir el giro es imaginar que cada partícula, como un electrón o un protón en un átomo, contiene una pequeña barra magnética, como la aguja de una brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo para representar el giro de la partícula. En las computadoras cuánticas basadas en espín, arriba y abajo pueden representar 0 y 1.
Boehme dice que los espines nucleares son más adecuados para almacenar información que los espines electrónicos. Esto se debe a que la vida útil de la orientación del espín del electrón es corta porque el espín se cambia fácilmente por los electrones cercanos y la temperatura dentro del átomo.
Por el contrario, “el núcleo se encuentra en el centro del átomo y su giro no se ve afectado por lo que sucede en la nube de electrones alrededor del núcleo”, dice McKamey. “El núcleo experimenta una soledad casi perfecta. Es por eso que el núcleo es un buen lugar para almacenar información magnéticamente. Los giros nucleares en los que almacenamos información tienen un tiempo de almacenamiento muy largo antes de que la información se desintegre”.
El tiempo de almacenamiento promedio de 112 segundos en el nuevo estudio puede no parecer largo, pero Boehme dijo que la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) de las PC y laptops modernas almacena información por solo unos pocos milisegundos o milésimas de segundo. La información debe actualizarse repetidamente, lo que mantiene viva la memoria de la computadora. ‘, agregó.
Cómo almacenar y leer datos en los espines de los núcleos
En sus experimentos, McCamey, Boehme y sus colegas utilizaron una fina oblea de silicio, de 1 milímetro cuadrado, dopada con fósforo, sobre la que se colocaron contactos eléctricos. El dispositivo estaba dentro de un contenedor ultra frío rodeado por un fuerte campo magnético. Los cables conectaron el dispositivo a una fuente de corriente y un osciloscopio para registrar los datos.
Los físicos utilizaron un fuerte campo magnético de 8,59 teslas para alinear los espines de los electrones del fósforo. Esto es 200.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.
A continuación, se utilizó un pulso de ondas electromagnéticas cercanas a los terahercios para “escribir” giro ascendente o descendente en los electrones que orbitan alrededor del átomo de fósforo. Luego utilizaron ondas de radio en el rango de FM para obtener los datos de espín almacenados en electrones y escribirlos en el núcleo de fósforo.
Luego se usó otro pulso de onda cercano a los terahercios para transferir la información en los espines nucleares a los electrones en órbita, iniciando el proceso de lectura. Se produce una lectura porque el giro del electrón se traduce en un cambio en la corriente.
“Leemos la rotación de los núcleos de forma opuesta a como escribimos la información”, dice Boehme. “Tenemos un mecanismo que convierte el giro de un electrón en una corriente eléctrica”.
Resumiendo el proceso, Boehme dijo: “Básicamente escribimos un 1 en el núcleo. Mostramos que podíamos escribir y leer [spin data in nuclei], y la información se puede leer repetidamente de los núcleos durante un promedio de 112 segundos antes de que todos los núcleos de fósforo pierdan su información de espín. En un tiempo mucho más corto, los físicos leen y releen los mismos datos de espín nuclear 2000 veces, dice Boehme, lo que demuestra que el acto de leer los datos de espín no destruye los datos y que la memoria es confiable.
La recuperación de datos almacenados como espines requiere leer los espines colectivos de muchos núcleos y electrones, dice Boehme. Esto funciona para las computadoras clásicas, pero no para las computadoras cuánticas, donde las lecturas deben poder identificar el giro de un solo núcleo, agregó. Boehme espera lograrlo en unos pocos años.