Un nuevo material con forma de nanoesponja metálica puede reducir al mínimo el gasto energético de los ordenadores

Bellaterra, Cerdanyola del Vallès, 13 de julio de 2017. Para registrar la información en las memorias magnéticas convencionales de los dispositivos electrónicos, los pequeños dominios magnéticos de los materiales actúan como imanes, que se orientan hacia uno u otro lado usando campos magnéticos. Para generar estos campos hay que producir corrientes eléctricas, pero estos calientan el material y provocan gasto energético. Prácticamente el 40% de la energía eléctrica que llega a los ordenadores (o a los servidores "Big Data") se disipa en forma de calor por este motivo.

En 2007, unos científicos franceses observaron que cuando los materiales magnéticos están dispuestos en capas ultra-delgadas, y si se aplica un voltaje, la cantidad de corriente y de gasto energético necesario para orientar los dominios magnéticos disminuía en un 4%. Sin embargo, esa pequeña reducción no era suficientemente significativa para las aplicaciones en dispositivos. 

Un equipo de investigación dirigido por el investigador ICREA Jordi Sort, profesor del Departamento de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona, ​​con la colaboración del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), ha buscado una solución basada en las propiedades magnéticas de un nuevo material nanoporoso para incrementar esta superficie. El nuevo material, que se destaca esta semana en la revista Advanced Functional Materials, consiste en capas nanoporosas de una aleación de cobre y níquel, organizadas de tal manera que en su interior forman superficies y agujeros similares a los del interior de una esponja, pero donde los poros tienen separaciones de tan sólo 5 o 10 nanómetros. Es decir, en las paredes de los poros sólo hay lugar para unas decenas de átomos.

"Hay muchos investigadores aplicando los materiales nanoporosos en la mejora de procesos físico-químicos, como el desarrollo de nuevos sensores, pero nosotros hemos investigado qué pueden aportar estos materiales al electromagnetismo", explica Jordi Sort. "Los nanoporos que tienen los materiales nanoporosos en su interior ofrecen una gran cantidad de superficie. Con esta inmensa superficie concentrada en un espacio muy pequeño podemos aplicar el voltaje de una pila y disminuir enormemente la energía necesaria para orientar los dominios magnéticos y registrar los datos" apunta Jordi Sort, "esto supone un nuevo paradigma para el ahorro energético en los ordenadores y en la computación y manipulación de datos magnéticos en general".

Los investigadores de la UAB han realizado los primeros prototipos de memorias magnéticas nanoporosas basadas en la aleación de cobre y níquel (CuNi) con resultados muy satisfactorios, consiguiendo una reducción de un 35% en la coercitividad magnética, una magnitud relacionada con la gasto energético necesario para reorientar los dominios magnéticos y registrar los datos. 

Investigadores de la UAB, con la colaboración del ICN2, han desarrollado un material nanoporoso basado en una aleación de cobre y níquel, con una estructura similar a la de una esponja pero con unos poros de tamaños del orden de millonésimas partes de milímetro, que permite manipular y registrar información con muy poco gasto energético. Estas nanoesponjas pueden ser la base de nuevas memorias magnéticas en ordenadores o teléfonos móviles con mucha más eficiencia energética que las actuales.

En estos primeros prototipos, los investigadores aplican el voltaje mediante electrolitos líquidos, pero ya están trabajando en materiales sólidos que faciliten la implementación en los dispositivos del mercado. "Implementar este material en las memorias de los ordenadores y dispositivos móviles tendría muchas ventajas", explica Jordi Sort, "principalmente un ahorro económico directo en la facturación de consumo eléctrico de los ordenadores y un incremento considerable en la autonomía de los dispositivos móviles". 

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El desarrollo de nuevos dispositivos nanoelectrónicos con mejor eficiencia energética es una de las líneas prioritarias de la Unión Europea en el programa Horizonte 2020. Según algunas estimaciones, si se sustituyera totalmente la utilización de corriente eléctrica por voltaje en los sistemas de procesamiento de datos, se reduciría el coste energético en un factor 1/500. De hecho, grandes empresas como Google o Facebook tienen sus servidores informáticos bajo el mar o en países nórdicos donde la temperatura ambiental es muy baja, a fin de reducir el calentamiento y el gasto energético. 

En la investigación, que corresponde a los primeros resultados de la ayuda ERC-Consolidator Grant del profesor Jordi Sort para el proyecto SPIN-PORICS (Merging nanoporous materials with energy-efficient spintronics) (con una financiación de 1,8 M €), han participado: Alberto Quintana, Dra. Jin Zhang, Dr. Eloy Isarain-Chávez, Dr. Enrique Menéndez, Prof. María Dolores Baró, Dr. Miguel Guerrero y Dra. Eva Pellicer, del Departamento de Física de la UAB, que junto con el Prof. Josep Nogués del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, (Centro de Excelencia Severo Ochoa), han desarrollado el material nanoporoso y han realizado las medidas magnéticas. Otros co-autores del trabajo son: Dr. Ramón Cuadrado, Dr. Roberto Robles y Prof. Pablo Ordejón, del ICN2, los cuales han desarrollado los cálculos teóricos para comprender qué pasa en el interior del material; Dr. Salvador Pané y Prof. Bradley Nelson, del ETH Zurich, con quien se comenzó a trabajar en la aleación CuNi; y Prof. C. M. Müller, de la Universidad de Barcelona, ​​quien ha facilitado medidas electroquímicas del material en el laboratorio del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física. 

Artículo de referencia:

A. Quintana, J. Zhang, E. Isarain-Chávez, E. Menéndez, R. Cuadrado, R. Robles, M. D. Baró, M. Guerrero, S. Pané, B. J. Nelson, C. M. Müller, P. Ordejón, J. Nogués, E. Pellicer, J. Sort. Voltage-Induced Coercivity Reduction in Nanoporous Alloy Films: A Boost toward Energy-Efficient Magnetic Actuation. Adv. Funct. Mater. 2017, 1701904. https://doi.org/10.1002/adfm.201701904

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