Revolución cuántica: descubren cómo aprovechar el espín perdido para ahorrar energía en tus dispositivos

A veces, los grandes avances tecnológicos no se encuentran en lo visible, sino en lo que parecía un simple error, una pérdida inevitable. Es el caso de un fenómeno cuántico llamado pérdida de espín (¿qué es el espín?), durante años considerado un obstáculo para mejorar la eficiencia energética en dispositivos electrónicos avanzados. Ahora, un equipo internacional de científicos ha demostrado que esa pérdida no solo puede aprovecharse, sino que podría convertirse en una de las claves para desarrollar los chips más eficientes del futuro.

Este hallazgo ha sido publicado en la revista Nature Communications y representa una desviación radical de lo que hasta ahora se creía sobre la espintrónica, una tecnología que usa el espín del electrón para procesar y almacenar información. El equipo, liderado por el Dr. Dong-Soo Han del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST), descubrió que la pérdida natural de espín puede inducir un cambio magnético útil para el funcionamiento de dispositivos, sin necesidad de fuentes externas de energía ni materiales complejos.

El espín del electrón: más que una rareza cuántica

El espín es una propiedad cuántica del electrón que puede pensarse como un pequeño “momento angular” que puede orientarse en dos direcciones: arriba o abajo. En la espintrónica, esa orientación representa los dos estados fundamentales de la información digital: el 1 y el 0. A diferencia de la electrónica convencional, que se basa solo en la carga del electrón, la espintrónica usa también su espín para realizar operaciones, reduciendo el consumo energético y aumentando la estabilidad de los datos.

El problema ha sido siempre que, al intentar controlar el espín, parte de él se “pierde”. Esta pérdida de espín (spin loss) se produce cuando los electrones no consiguen transferir correctamente su espín al material magnético. Se pensaba que era una fuente de ineficiencia. Por eso, la mayoría de los esfuerzos en el diseño de dispositivos espintrónicos se han centrado en minimizarla.

Pero esta investigación plantea un enfoque completamente diferente. No intentan evitar la pérdida, sino usarla a su favor. Según explican los autores, esa pérdida puede generar un “torque de espín” suficiente para inducir un cambio en la magnetización del material. Y lo hace sin necesidad de aplicar corrientes elevadas o de recurrir a materiales caros.

Magnones, disipación y control magnético sin esfuerzo externo

El mecanismo detrás de este descubrimiento tiene que ver con un tipo particular de excitaciones llamadas magnones, que son ondas cuánticas asociadas al movimiento colectivo de los espines en materiales magnéticos. En lugar de depender de la inyección de espines desde capas externas, como ocurre en los dispositivos clásicos, este nuevo enfoque aprovecha la disipación interna de esos magnones para inducir los cambios deseados en la magnetización.

En palabras del artículo, “la disipación de espín magnónico puede aumentar significativamente la eficiencia de los torques de espín, permitiendo un cambio robusto de magnetización”. Para comprobarlo, el equipo diseñó estructuras trilaminares con materiales antiferromagnéticos (NiO y Cr₂O₃) y metales ferromagnéticos (Ni), lo que permitió observar el fenómeno en condiciones bien controladas.

Los resultados fueron consistentes y sorprendentes: cuanta más pérdida de espín se producía, menos energía hacía falta para cambiar la orientación magnética del sistema. Es decir, una aparente desventaja se convertía en una ventaja funcional. Además, el proceso resultó compatible con los métodos de fabricación actuales, lo que abre la puerta a una integración industrial real.

Aplicaciones tecnológicas: de la IA al borde del dispositivo

Uno de los aspectos más relevantes de este avance es su aplicabilidad práctica. Los materiales utilizados no requieren procesos costosos, y la estructura del dispositivo puede integrarse fácilmente en las líneas de producción de semiconductores ya existentes. Esto es clave en campos como la inteligencia artificial, la computación neuromórfica y los sistemas de borde (edge computing), que requieren cada vez más potencia con el menor consumo posible.

La espintrónica ya se perfilaba como una alternativa real a la electrónica tradicional, pero su progreso ha estado limitado por problemas de eficiencia. Este nuevo principio no solo mejora esa eficiencia, sino que triplica la efectividad energética respecto a los métodos actuales. Esto permitiría fabricar chips más pequeños, rápidos y con menor generación de calor, características esenciales en dispositivos portátiles, sensores inteligentes y aplicaciones embebidas.

El propio Dr. Han señala que “hasta ahora, el campo de la espintrónica solo se centraba en reducir las pérdidas de espín, pero hemos presentado una nueva dirección al usar esas pérdidas como energía para inducir conmutación magnética”.

Un giro experimental con resultados inesperados

La parte experimental del estudio incluyó pruebas con distintos espesores de los materiales antiferromagnéticos para comprobar cómo variaba la eficiencia de la conmutación. Lo llamativo es que incluso con capas más gruesas, el efecto no desaparecía, lo que contrasta con las teorías anteriores. Esto sugiere que no se trata de una simple anomalía, sino de un comportamiento robusto con base física clara.

También realizaron mediciones de tipo Hall armónico, una técnica que permite observar las señales eléctricas generadas por el cambio de espín. En uno de los experimentos más relevantes, lograron inducir el cambio de magnetización aplicando una corriente alterna de densidad muy baja, sin necesidad de campos magnéticos externos ni calor añadido.

El efecto, además de reproducible, resultó ser dependiente de la orientación cristalina del material, lo que indica que se puede ajustar y optimizar según la aplicación deseada. En palabras del artículo, se observó que “la componente de espín longitudinal a lo largo del eje de Néel gobierna predominantemente la generación de los torques observados”.

Más allá del descubrimiento: rediseñar desde las pérdidas

Este trabajo no solo representa un avance puntual, sino que introduce una nueva forma de pensar en ingeniería cuántica aplicada. Tradicionalmente, las pérdidas se consideran fallos que hay que minimizar. Pero aquí se plantea que, si se entienden bien, esas pérdidas pueden ser reconvertidas en funcionalidad útil. Es una forma radical de innovación: no evitar lo inevitable, sino domesticarlo.

En un mundo donde los dispositivos electrónicos se enfrentan a límites físicos y térmicos cada vez más severos, aprovechar procesos internos que antes se desperdiciaban puede marcar la diferencia. La disipación cuántica, bien comprendida, podría ser una aliada para fabricar tecnologías más sostenibles, adaptables y eficientes.

Los autores concluyen que esta perspectiva puede servir de guía para el diseño de una nueva clase de dispositivos espintrónicos de bajo consumo, y que las posibilidades se extienden más allá de los materiales usados en este estudio.

Cortesía de Muy Interesante

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