Un nou material amb forma de nanoesponja per reduir al mínim la despesa energètica dels ordinadors

Per enregistrar la informació en les memòries magnètiques convencionals dels dispositius electrònics, els petits dominis magnètics dels materials actuen com a imants, que s’orienten un costat o l'altre fent servir camps magnètics. Per generar aquests camps cal produir corrents elèctrics, però aquests escalfen el material i provoquen despesa energètica. Pràcticament el 40% de l’energia elèctrica que arriba als ordinadors (o en els servidors “Big Data”) es dissipa en forma de calor per aquest motiu.

L’any 2007, uns científics francesos van observar que quan els materials magnètics estan disposats en capes ultraprimes, i si s’hi aplica un voltatge, la quantitat de corrent i de despesa energètica necessària per orientar els dominis magnètics disminuïa en un 4%. Tanmateix, aquella petita reducció no era prou significativa per a les aplicacions en dispositius.

Recentment, en el grup de recerca Gnm³ de la Universitat Autònoma de Barcelona hem cercat una solució basada en les propietats magnètiques d’un nou material nanoporós per tal d’incrementar aquesta superfície. Aquest nou material consisteix en capes nanoporoses d’un aliatge de coure i níquel, organitzades de tal manera que en el seu interior forma superfícies i forats similars als de l’interior d’una esponja, però on els porus tenen separacions de tan sols 5 o 10 nanòmetres. És a dir, a les parets dels porus només hi ha lloc per a unes desenes d’àtoms. Amb aquesta immensa superfície concentrada en un espai molt petit es pot aplicar el voltatge d’una pila i disminuir enormement l’energia necessària per orientar els dominis magnètics i enregistrar les dades. Això suposa un nou paradigma per a l’estalvi energètic en els ordinadors i en la computació i manipulació de dades magnètiques en general.

Els primers prototips de memòries magnètiques nanoporoses basades en l’aliatge de coure i níquel (CuNi) mostren resultats molt satisfactoris, aconseguint una reducció d’un 35% en la coercitivitat magnètica, una magnitud relacionada amb la despesa energètica necessària per reorientar els dominis magnètics i enregistrar les dades.

El desenvolupament de nous dispositius nanoelectrònics amb millor eficiència energètica és una de les línies prioritàries de la Unió Europea en el programa Horitzó 2020. Segons algunes estimacions, si se substituís totalment la utilització de corrent elèctric per voltatge en els sistemes de processament de dades, es reduiria el cost energètic en un factor 1/500. De fet, grans empreses com Google o Facebook tenen els seus servidors informàtics sota el mar o en països nòrdics on la temperatura ambiental és molt baixa, per tal de reduir l’escalfament i la despesa energètica.

Aquesta recerca correspon als primers resultats de l’ajut ERC-Consolidator Grant atorgat al professor Jordi Sort per al projecte SPIN-PORICS (Merging nanoporous materials with energy-efficient spintronics) (amb un finançament d’1,8 M€). També hi han participat investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (grups del Prof. Josep Nogués i el Prof. Pablo Ordejón). Tanmateix, aquest treball constitueix la base de la Tesi Doctoral de l’Alberto Quintana.

Bibliografia:

A. Quintana, et al., Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1701904.