Nuestras vidas dependen cada vez más de los datos digitales. Ya sea que se trate de big data que utilizan varias industrias para personalizar sus productos y servicios, o las imágenes y videos que compartimos a través de Instagram o WhatsApp, es difícil imaginar nuestra vida sin ellos. Pero, ¿qué son exactamente estos ‘datos’? ¿Cómo se almacena y transfiere a través de dispositivos digitales?
Las diferentes formas en que intercambiamos información (imágenes, videos, programas y documentos) parecen iguales a los ojos de nuestras computadoras: cada archivo es una secuencia hecha de dos tipos de bloques de construcción: ‘0’s y ‘1’s. Cuando guardamos, cargamos o descargamos un archivo, esa secuencia específica de bits ‘0’ y ‘1’ se almacena en nuestra computadora personal, o en una de las muchas computadoras propiedad de las empresas de redes sociales alojadas en centros de datos de todo el mundo. Un pequeño archivo de texto de 1 kilobyte tiene 8192 bits*mientras que una imagen de 1 MB de tamaño tiene 8388608 bits.
Dentro de las computadoras, estos bits se «escriben» físicamente en las unidades de disco duro (HDD) para que puedan recuperarse más tarde, incluso después de apagar y encender las computadoras varias veces. Estos discos duros requieren un medio en el que se puedan almacenar los bits, que se pueden estabilizar en dos tipos de estados, correspondientes a ‘0’ o ‘1’. La mayor parte de nuestra tecnología de almacenamiento actual utiliza magnetismo para hacer esto.
¡La fuerza misteriosa que usamos para pegar nuestros recuerdos de viaje en el refrigerador es la misma que usamos para almacenar nuestros datos digitales! Los imanes de nevera tienen dos polos, N y S: los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. Estos imanes se pueden dividir en imanes más pequeños hasta que finalmente obtengamos imanes de un solo átomo, llamados «espines». La dirección en la que apuntan estos giros determina la ‘N’ y la ‘S’ para ese átomo. El magnetismo del imán del refrigerador es el resultado de que cada espín ‘habla’ con sus espines vecinos a través de la ‘interacción de intercambio’ que hace que los espines se coordinen y ordenen en ciertos arreglos. Algunos arreglos que surgen de diferentes tipos de interacciones de intercambio se muestran en Figura 1.
Si un imán de nevera se calienta, pierde su fuerza magnética, o «magnetización», hasta que finalmente deja de mostrar cualquier comportamiento magnético. Para una respuesta magnética general, la ‘diafonía’ entre espines (habilitada por la interacción de intercambio) y el orden resultante de los espines es crucial. El calor aumenta el ‘ruido’ térmico sobre el cual la diafonía se vuelve más difícil de resolver hasta que eventualmente, los espines no pueden escucharse entre sí en absoluto.
Los discos duros almacenan nuestros datos en una película magnética llena de espines atómicos. Los estados ‘0’ y ‘1’ están definidos por dos direcciones de estos espines atómicos, es decir, si ‘N’ apunta hacia arriba y hacia abajo. La capacidad de almacenamiento del HDD depende de cuántos bits se pueden meter en el área limitada de la película magnética. Los bits se ‘escriben’ usando un electroimán minúsculo (Figura 2), a través del cual pasa la corriente, creando un fuerte campo magnético enfocado sobre una pequeña región de la película magnética. La película magnética obliga a los espines a preceder como un trompo y eventualmente establecerse en un estado ‘0’ o ‘1’ en un nanosegundo (¡una milmillonésima de segundo!).
La Figura 2 muestra la superficie magnética de un HDD visto con un tipo especial de microscopio de alta resolución, con los dos estados magnéticos vistos como áreas en blanco y negro. Para tener perspectiva, considere un mechón de cabello de 100 μm: ¡pueden caber 200 imágenes de este tipo! Así es como un HDD con capacidad de terabytes (1 terabyte = 8796093022208 bits) cabe en la palma de nuestra mano.
Sin embargo, la tecnología HDD avanzada no puede satisfacer la demanda actual. Los datos que producimos colectivamente y los centros de datos necesarios para almacenarlos están creciendo exponencialmente, al igual que el costo de energía asociado. Los electroimanes que escriben los bits magnéticos consumen energía: cuanto más rápido se escribe, mayor es el consumo de energía. El peaje de energía se acumula con los requisitos de refrigeración y mantenimiento de los centros de datos, que asciende a unos 200 teravatios-hora al año – ¡más que el consumo nacional de Irán! La crisis se puede combatir encontrando nuevas formas de escribir datos más rápido, con mayor eficiencia energética y abarrotar más en un espacio determinado.
Una tecnología asombrosamente eficiente
Con este fin, los científicos informaron una observación fascinante en 2007 en un material ferrimagnético, Gd-Fe, hecho de elementos magnéticos gadolinio (Gd) y hierro (Fe) (y una pequeña cantidad de cobalto). Se pueden escribir bits magnéticos en este material sin ningún campo magnético, usando únicamente pulsos de luz de un láser! Dichos láseres pulsados emiten ráfagas de luz muy cortas, que duran tan solo un picosegundo (¡una billonésima de segundo!). Estos láseres son tan precisos que se utilizan en cirugía por su calentamiento muy localizado. ¡El láser pulsado enfocado en un área de la película de Gd-Fe invirtió inesperadamente la magnetización del área mil veces más rápido que un campo magnético! El proceso ocurrió en una ventana de tiempo demasiado corta para que los giros «hablaran» entre sí. Entonces, ¿cómo funciona esto?
Después de mucho esfuerzo experimental, la respuesta se reveló siete años después, en 2013. En un experimento desafiante y sofisticado, los científicos ‘marcaron’ los giros de Gd y Fe para rastrear su evolución en unos pocos picosegundos después de la excitación del láser. Utilizaron una técnica llamada espectroscopia de ‘bomba-sonda’, en la que un pulso láser de alta potencia (‘bomba’) excita el sistema y un pulso de baja potencia ‘prueba’ el estado magnético de la muestra. Los pulsos de la sonda actúan como una cámara con un obturador muy rápido. En lugar de registrar una imagen real de los espines, el estado magnético se registra indirectamente midiendo su efecto sobre la polarización del láser. Se miden varios pares de bomba-sonda en un experimento: cada vez, la sonda llega unos picosegundos más tarde en relación con la bomba (p. ej., 1 picosegundo antes que la bomba, al mismo tiempo que la bomba, 0,5 picosegundos después de la bomba, y así on…) De esta manera, el proceso puede ser rastreado en una escala de tiempo más corta que picosegundos. Para «etiquetar» los espines, la longitud de onda del láser de «sonda» se eligió del régimen de rayos X (0,01 a 10 nanómetros), en lugar de las longitudes de onda visibles (400 a 700 nanómetros), ya que cada elemento tiene una longitud de onda de rayos X característica en la que muestra una respuesta prominente. Por lo tanto, los giros de Gd y Fe podrían ‘marcarse’ sondeando sus longitudes de onda de rayos X características, revelando cómo el orden magnético en el GdFe ayudó en la inversión inducida por láser (Figura 3).
Figura 3: Caricatura que muestra la evolución temporal de los espines de Fe y Gd que conducen al cambio magnético
Antes del golpe, la ‘interacción’ ferrimagnética entre los espines de Gd y Fe hace que se alineen en forma antiparalela entre sí, pero la magnetización no se cancela por completo debido a las diferentes fuerzas de los espines de Fe y Gd. El pulso láser actúa como una breve e intensa ráfaga de calor, reduciendo rápidamente la magnetización de estos. El Gd y el Fe responden a diferentes velocidades al mismo estallido de calor; de hecho, los giros del Fe pierden su magnetización tres veces más rápido que el Gd.
Esta diferencia en la respuesta es importante para crear una situación favorable para el ‘cambio’ de magnetización. Cuando los espines de Fe han perdido todas sus magnetizaciones, los espines de Gd todavía son débilmente magnéticos. Los giros de Fe comienzan a apuntar paralelos a los giros de Gd débilmente magnéticos y que se desmagnetizan lentamente. Simultáneamente, el calor agregado por el láser fluye a través de la película hacia las áreas vecinas, enfriando el ambiente a un ritmo aún más lento.
A medida que la temperatura se reduce gradualmente, los espines pueden volver a escuchar la ‘interacción’ que ordena a todos los espines de Fe que apunten de manera opuesta a los espines de Gd. Con el enfriamiento, la ‘diafonía’ se vuelve más fuerte nuevamente, ordenando a los giros de Di-s que inviertan su dirección, lo que lleva a un cambio general de la magnetización. ¡Esta compleja interacción entre los espines atómicos y el flujo de calor en la película se completa en unos pocos picosegundos! La inversión no solo es mil veces más rápida en comparación con una inversión en HDD, sino que también consume al menos mil veces menos energía. Se está realizando una investigación considerable para explorar las posibilidades de reducir aún más el consumo de energía y los costos de materiales de este proceso.
¿Es este cambio totalmente óptico la respuesta a nuestros problemas de datos?
Bueno, todavía hay algunos obstáculos en el camino. Un campo magnético nos da un control completo para escribir nuestros bits como ‘0’ o ‘1’, según lo dicte el campo. El mecanismo totalmente óptico visto en Gd-Fe solo ‘alterna’ el material magnético de ‘0’ a ‘1’ y viceversa. Sería bueno tener control sobre la dirección final de los bits. Otro problema es el tamaño de bit más pequeño que se puede lograr con esta tecnología. La óptica convencional no puede enfocar el láser más de unos pocos micrómetros debido al límite de difracción. Esto se compara mal con los bits de tamaño nanométrico en los discos duros. Hay muchas preguntas abiertas y desafíos que tanto la ciencia como la ingeniería deben abordar antes de encontrar dispositivos de memoria intercambiables totalmente ópticos en nuestras computadoras.
Referencias
- Editorial Naturaleza. (2018, 12 de septiembre). Cómo evitar que los centros de datos consuman la electricidad del mundo. Naturaleza. Recuperado el 26 de enero de 2022, de https://www.nature.com/articles/d41586-018-06610-y
*Esta extraña conversión surge debido a la naturaleza binaria de la memoria: un solo bit puede contener 2 valores: 0 y 1. 2 bits combinados pueden contener 22 o 4 posibilidades de información diferentes: (0,0), (0,1), (1,0) y (1,1). Cuanto mayor sea el número de bits, más posibilidades podremos codificar de forma única usándolos. Un total de 256 caracteres (letras mayúsculas y minúsculas del alfabeto, números y símbolos especiales) son los componentes básicos de la información que comúnmente escribimos en nuestros archivos. Para representar de forma única cada uno de estos 256 (o 28) caracteres, un grupo de 8 bits (llamado ‘byte’) es suficiente. Un archivo que tiene varios caracteres necesita más bits, expresados como potencias de 2: 2122 23… Los tamaños de archivo más grandes se expresan en términos de ‘kilobytes’, que comprende 210 bytes, o 1024 bytes: este número está lo suficientemente cerca de 1000 bytes, de ahí el ‘kilo’.
