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2022-12-21Dando un nuevo giro al hardware de la computadora

MIT |Luqiao Liu utiliza una propiedad cuántica conocida como espín de electrones para construir memorias de computadora de bajo consumo y alto rendimiento y chips de computadora programables.

Luqiao Liu era el tipo de niño que prefería desarmar sus juguetes para ver cómo funcionaban que jugar con ellos de la forma en que estaban destinados.

La curiosidad ha sido una fuerza impulsora a lo largo de su vida, y lo llevó al MIT, donde Liu es profesor asociado recientemente titular en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica.

En lugar de desarmar las cosas, ahora está usando materiales novedosos y técnicas de fabricación a nanoescala para construir electrónica de próxima generación que usa mucho menos energía que los dispositivos convencionales. La curiosidad sigue siendo útil, dice, especialmente porque él y sus colaboradores trabajan en el territorio en gran parte desconocido de la electrónica de espín, un campo que solo surgió en la década de 1980.

“Hay muchos desafíos que debemos superar en nuestro trabajo. En electrónica de espín, todavía hay una brecha entre lo que se podría hacer fundamentalmente y lo que se ha hecho hasta ahora. Todavía queda mucho por estudiar en términos de obtener mejores materiales y encontrar nuevos mecanismos para que podamos alcanzar un rendimiento cada vez mayor”, dice Liu, quien también es miembro del MIT-IBM Watson AI Lab.

Los electrones son partículas subatómicas que poseen una propiedad cuántica fundamental conocida como espín. Una forma de visualizar esto es pensar en una peonza que gira alrededor de sí misma, lo que le da a la peonza un momento angular. Ese momento angular, un producto de la masa, el radio y la velocidad de la peonza, se conoce como su giro.

Aunque técnicamente los electrones no giran sobre un eje como un trompo, poseen el mismo tipo de espín. Su momento angular puede estar apuntando hacia "arriba" o "abajo". En lugar de usar cargas eléctricas positivas y negativas para representar información binaria (1 y 0) en dispositivos electrónicos, los ingenieros pueden usar la naturaleza binaria del espín del electrón.

Debido a que se necesita menos energía para cambiar la dirección de giro de los electrones, el giro de los electrones se puede usar para cambiar transistores en dispositivos electrónicos que usan mucha menos energía que con la electrónica tradicional. Los transistores, los componentes básicos de la electrónica moderna, se utilizan para regular las señales eléctricas.

Además, debido a su momento angular, los electrones se comportan como pequeños imanes. Los investigadores pueden usar estas propiedades magnéticas para representar y almacenar información en el hardware de memoria de la computadora. Liu y sus colaboradores tienen como objetivo acelerar el proceso, eliminando los cuellos de botella de velocidad que frenan los dispositivos de memoria de computadora de menor potencia y mayor rendimiento.

Atraído por el magnetismo

El camino de Liu para estudiar el hardware de la memoria de la computadora y la electrónica de espín comenzó con los imanes del refrigerador. Cuando era niño, se preguntaba por qué un imán se pegaba al refrigerador.

Esa temprana curiosidad ayudó a despertar su interés por las ciencias y las matemáticas. A medida que profundizó en esas materias en la escuela secundaria y la universidad, aprendiendo más sobre física, química y electrónica, su curiosidad por el magnetismo y sus usos en las computadoras se profundizó.

Cuando tuvo la oportunidad de obtener un doctorado en la Universidad de Cornell y unirse a un grupo de investigación que estudiaba materiales magnéticos, Liu encontró la pareja perfecta.

“Pasé los siguientes cinco o seis años buscando formas nuevas y más eficientes de generar corriente de espín de electrones y usarla para escribir información en las memorias magnéticas de la computadora”, dice.

Si bien estaba fascinado por el mundo de la investigación, Liu quería probar suerte en una carrera en la industria, por lo que se unió al Centro de Investigación TJ Watson de IBM después de graduarse. Allí, su trabajo se centró en desarrollar hardware de memoria de acceso aleatorio magnético más eficiente para computadoras.

“Hacer que algo finalmente funcione en un formato disponible comercialmente es bastante importante, pero no me encontré completamente comprometido con ese tipo de trabajo de ajuste. Quería mostrar la viabilidad de un trabajo muy novedoso, para demostrar que es posible algún concepto nuevo”, dice Liu. Se unió al MIT como profesor asistente en 2015.

Asuntos materiales

Algunos de los trabajos más recientes de Liu en el MIT involucran la construcción de memorias de computadora utilizando materiales antiferromagnéticos a nanoescala. Los materiales antiferromagnéticos, como el manganeso, contienen iones que actúan como pequeños imanes debido al espín de los electrones. Se organizan de modo que los iones que giran "hacia arriba" y los que giran "hacia abajo" estén opuestos entre sí, por lo que el magnetismo se cancela.

Debido a que no producen campos magnéticos, los materiales antiferromagnéticos se pueden empaquetar más juntos en un dispositivo de memoria, lo que conduce a una mayor capacidad de almacenamiento. Y su falta de un campo magnético significa que los estados de espín se pueden cambiar entre "arriba" y "abajo" muy rápidamente, por lo que los materiales antiferromagnéticos pueden cambiar los transistores mucho más rápido que los materiales tradicionales, explica Liu.

“En la comunidad científica, se ha debatido si se puede cambiar eléctricamente la orientación del espín dentro de estos materiales antiferromagnéticos. Usando experimentos, demostramos que se puede”, dice.

En sus experimentos, Liu a menudo usa materiales novedosos que se crearon hace solo unos años, por lo que aún no se comprenden bien todas sus propiedades. Pero disfruta el desafío de integrarlos en los dispositivos y probar su funcionalidad. Encontrar mejores materiales para aprovechar el giro de los electrones en las memorias de las computadoras puede conducir a dispositivos que usen menos energía, almacenen más información y retengan esa información durante un período de tiempo más largo.

Liu aprovecha el equipo de vanguardia dentro de MIT.nano , un centro de investigación de nanoescala compartido de 214,000 pies cuadrados, para construir y probar dispositivos a nanoescala. Tener estas instalaciones de última generación al alcance de la mano es una gran ayuda para su investigación, dice.

Pero para Liu, el capital humano es lo que realmente impulsa su trabajo.

“Los colegas y estudiantes son la parte más preciada del MIT. Poder discutir preguntas y hablar con las personas más inteligentes del mundo, esa es la experiencia más agradable de hacer este trabajo”, dice.

Él, sus estudiantes y colegas están impulsando el joven campo de la electrónica de espín.

En el futuro, prevé utilizar materiales antiferromagnéticos junto con las tecnologías existentes para crear dispositivos informáticos híbridos que logren un rendimiento aún mejor. También planea profundizar en el mundo de las tecnologías cuánticas. Por ejemplo, la electrónica de espín podría usarse para controlar eficientemente el flujo de información en los circuitos cuánticos, dice.

En la computación cuántica, el aislamiento de la señal es fundamental: la información debe fluir en una sola dirección desde el circuito cuántico al circuito externo. Está explorando el uso de un fenómeno conocido como onda de espín, que es la excitación del espín de los electrones dentro de los materiales magnéticos, para garantizar que la señal solo se mueva en una dirección.

Ya sea que esté investigando la computación cuántica o probando las propiedades de nuevos materiales, una cosa es cierta: Liu sigue siendo impulsado por una curiosidad insaciable.

“Estamos continuamente explorando, ahondando en muchos temas nuevos emocionantes y desafiantes con el objetivo de crear mejores dispositivos de memoria informática o lógicos digitales que utilicen electrónica de espín”, dice.

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