En laboratorio, rayos X revelan magnones duraderos en óxido de cobre

Un pulso láser dura apenas femtosegundos, milbillonésimas de segundo, y en ese destello orienta los espines de un cristal de óxido de cobre en filas. En el Instituto Paul Scherrer (PSI), en Suiza, el equipo de Hiroki Ueda lanza entonces sobre la misma muestra un segundo destello, un pulso de rayos X muy brillante procedente de un láser de electrones libres de la instalación SwissFEL. Lo que registran es cuánto duran las ondas resultantes.

La razón para interesarse está en los límites de los ordenadores actuales. Los chips basados en silicio están alcanzando sus límites físicos: los componentes no pueden reducirse indefinidamente, ni las frecuencias de reloj aumentarse indefinidamente. En un chip convencional, los electrones fluyen por el material, lo que provoca pérdidas de energía y genera calor residual. La alternativa estudiada aquí, la espintrónica, deja los electrones en su sitio y desplaza la información mediante ondas de espín, un poco como la ola en un estadio, en la que la gente permanece en su asiento y solo se mueven los brazos. Las ondas están formadas por magnones, excitaciones colectivas de espín que se comportan como cuasipartículas, es decir, tienen una energía y un momento definidos aunque no son partículas en sentido estricto.

La novedad está en la temporalidad. El equipo siguió a los magnones en tres etapas. En femtosegundos, el láser excita los electrones y los espines empiezan a invertirse juntos. Durante picosegundos, billonésimas de segundo, los magnones colisionan y forman lo que Ueda y su equipo describen como ondas incoherentes, como mares agitados. Luego, en el rango de los nanosegundos, milmillonésimas de segundo, los magnones ceden su energía a vibraciones de los átomos de la red, llamadas fonones. Este último paso ocurre tres órdenes de magnitud después del anterior. Romaguera afirmó que el equipo se sorprendió por lo mucho que tarda esa transferencia, dado lo fuertemente acoplados que están el magnetismo y la red en el óxido de cobre.

El resultado se apoya en una combinación de métodos. El equipo utilizó la técnica de bombeo y sonda (pump-probe), variando el retardo entre el pulso láser y el de rayos X para construir una secuencia de instantáneas, y añadió una nueva técnica de rayos X a dos ya establecidas. Hasta ahora, cada método captaba solo una parte de la imagen, así que nadie tenía una descripción coherente de estas interacciones. Ueda y su equipo sostienen que la relación magnón-fonón, que depende de cómo se relacionan el momento y la energía en cada excitación, controla la eficacia con que la energía abandona los magnones, y que esto sugiere que los materiales podrían diseñarse para ajustar ese tiempo de vida. Son hallazgos de una sola muestra de óxido de cobre en laboratorio. Todavía no se ha construido ni probado ningún componente lógico con ellos.

Para los ingenieros que trabajan en la computación posterior al silicio, el mensaje es una ventana temporal utilizable. Si los magnones conservan su energía el tiempo suficiente, un dispositivo podría, en principio, manipularlos antes de que se disipen, que es la condición para realizar y controlar operaciones lógicas con ondas de espín. El equipo no da una fecha para ese paso y no ha descrito un prototipo, un material fabricable a escala ni un coste. Lo que sí ha demostrado es que la física de la propia onda da a ese dispositivo algo con lo que trabajar.