Uniones túnel magnéticas atómicas torcidas con múltiples estados no volátiles

Almacenar algo más que ceros y unos

Los dispositivos digitales actuales funcionan en gran medida en blanco y negro: cada diminuto elemento de memoria contiene o bien un cero o bien un uno. Este artículo explora una forma de empaquetar más de dos valores estables en un único dispositivo magnético ultrasmall hecho de láminas atómicas. Al torcer cuidadosamente estas capas magnéticas de un átomo de grosor, los investigadores muestran que una unión puede mantener de forma fiable varios estados distintos sin energía, lo que sugiere memorias más densas, nuevos tipos de cálculo y dispositivos que se acercan a los límites definitivos de la miniaturización.

De los bits magnéticos clásicos a pilas atómicas

Las uniones túnel magnéticas ya están en el corazón de la memoria magnética moderna y de las cabezas de lectura de discos duros. En una unión convencional, dos capas magnéticas metálicas están separadas por una barrera aislante extremadamente delgada. Los electrones pueden “tunnelear” a través de esta barrera más fácilmente cuando las magnetizaciones de las dos capas apuntan en la misma dirección que cuando apuntan en direcciones opuestas, dando dos niveles de resistencia que codifican el cero y el uno. Este diseño ha demostrado ser robusto y escalable, pero sigue estando construido con barreras de óxido relativamente gruesas e imperfectas y está fundamentalmente limitado a solo dos estados estables.

Por qué las capas atómicas torcidas cambian las reglas

El equipo recurre a un material llamado CrSBr, un semiconductor que es magnético incluso cuando se reduce a una sola capa atómica. En su forma natural, dos de estas capas se acoplan de modo que sus imanes internos se alinean dentro de cada lámina pero se oponen entre láminas. Cuando se usa como barrera entre contactos conductores, este bicapas ya actúa como una unión túnel “atómica”. La idea clave aquí es que rotar una capa de CrSBr con respecto a otra —creando una interfase torcida— rompe en gran medida el acoplamiento fuerte habitual entre capas. Cada frontera torcida puede entonces soportar dos alineamientos distintos y estables de los momentos magnéticos, que se traducen en dos estados de conductancia diferentes incluso cuando no se aplica un campo magnético externo.

Construir dispositivos con dos y cuatro niveles estables

Primero, los investigadores apilan una monocapa de CrSBr sobre una bicapas natural de CrSBr, formando una estructura de tres capas con una única interfase torcida. La bicapas inferior permanece fuertemente bloqueada en un patrón antiparalelo, actuando como una referencia rígida, mientras que la interfase torcida superior puede adoptar un arreglo cuasi‑paralelo o cuasi‑antiparalelo. Barridos cuidadosos del campo magnético muestran que la corriente a través de esta unión a escala atómica puede conmutar de forma reproducible entre dos niveles a campo cero, con cambios en la resistencia que pueden alcanzar varios cientos de por ciento en dispositivos optimizados. Debido a que la bicapas subyacente proporciona un fuerte “anclaje”, estos dos estados son inusualmente estables a lo largo de muchos ciclos y en un amplio rango de direcciones del campo.

Convertir una interfase torcida en un elemento multinivel

Los autores extienden luego el diseño añadiendo una segunda monocapa de CrSBr debajo de la bicapas, creando una pila de cuatro capas con dos interfases torcidas: monocapa/bicapas/monocapa. Ahora, tanto la monocapa superior como la inferior pueden adoptar de forma independiente una de dos orientaciones respecto a la bicapas central. En combinación, eso da lugar a cuatro configuraciones magnéticas distintas, cada una produciendo una corriente de tunelado diferente a campo cero. Experimentos a temperaturas muy bajas muestran cuatro niveles de corriente bien separados y reproducibles. Mediante el control de la dirección y la intensidad de campos magnéticos modestos, el equipo demuestra que cualquiera de estos cuatro estados puede convertirse en cualquiera de los otros, ya sea directamente o mediante secuencias de conmutación, realizando efectivamente una celda de memoria de cuatro niveles controlable en una única unión atómica.

Hacia memorias magnéticas y cálculo más ricos

Más allá de estas pilas específicas, los autores muestran que ideas similares funcionan cuando todas las capas son antiferromagnéticas, generando tres niveles no volátiles en un dispositivo hecho de tres bicapas torcidas. En conjunto, los resultados demuestran que añadir simplemente interfases torcidas dentro de materiales magnéticos van der Waals puede multiplicar el número de estados de resistencia estables disponibles en una sola unión. Para un público general, esto significa un camino hacia elementos de memoria que almacenan varios valores en lugar de solo cero o uno, en dispositivos de apenas unas pocas átomos de espesor. Esas uniones túnel magnéticas multinivel y ultradelgadas podrían algún día empaquetar mucha más información en la misma área y habilitar nuevos tipos de arquitecturas de cálculo inspiradas en el cerebro o energéticamente eficientes.

Cita: Chen, Y., Samanta, K., Healey, A.J. et al. Twisted atomic magnetic tunnel junctions with multiple nonvolatile states. Nat Commun 17, 2439 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z

Palabras clave: uniones túnel magnéticas, imanes 2D torcidos, memoria multinivel, CrSBr, spintrónica