05/03/2013 - Avances en el control del ruido en transmisiones electrónicas de información

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Un estudio de la Universidad Autónoma de Madrid ha logrado un importante avance en el control del ruido que afecta la transmisión electrónica de información. Este ruido —o variación no deseada en una señal— ha sido el principal obstáculo que hasta ahora ha encontrado la espintrónica, una nueva tecnología que puede tener un impacto radical en los dispositivos de almacenamiento masivo.

La espintrónica es una tecnología emergente que puede tener un impacto radical en los microprocesadores del futuro, ya que permite una mayor flexibilidad en el procesamiento y la transmisión de información. En la base de esta nueva rama de la electrónica se encuentra la posibilidad de controlar no solo los electrones, sino también su espín, que es una propiedad física sensible al magnetismo.

El grupo MAGNETRANS de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), especializado en espintrónica, demostró recientemente que es posible controlar —mediante un campo magnético externo— el ruido fundamental que afecta a la transmisión de información en dispositivos espintrónicos.

Estos resultados, presentados en la revista Physical Review Letters, representan un importante avance, pues hasta ahora solo era posible controlar el ruido (variación no deseada en una señal) mediante la modificación de los propios dispositivos.

Concretamente, el estudio logró por primera vez controlar de forma externa el ruido intrínseco en un tipo de dispositivos que permiten el paso de la corriente eléctrica gracias al fenómeno conocido como ‘efecto túnel’.

Ruido electrónico en el túnel cuántico

El flujo de fotones (cuantos de luz) o de electrones (cuantos de carga) es la base fundamental de los sistemas de computación y telecomunicaciones. Desde hace casi cien años se sabe que este flujo tiene un ruido intrínseco, llamado ruido de disparo.

Este ruido se produce debido a que, en cada instante de tiempo, el número de electrones o fotones que atraviesa una estructura no es exactamente el mismo. Es decir, el tiempo entre el paso de una partícula y la siguiente es completamente aleatorio, dando lugar a fluctuaciones en la señal.

El estudio de la UAM utilizó estructuras conocidas como “uniones túnel magnéticas con doble barrera”. Las uniones túnel, que se utilizan como sensores magnéticos en los discos duros, se componen de terminales ferromagnéticas (que pueden imantarse) separadas por una capa de material aislante de grosor nanométrico.

Estas estructuras permiten el paso de la corriente eléctrica gracias al fenómeno ‘efecto túnel’, o de ‘túnel cuántico’. Este se produce cuando un electrón u otra partícula atraviesa un obstáculo que —según la física clásica— es infranqueable.

“Las uniones túnel dobles utilizadas en la investigación se componen de tres electrodos ferromagnéticos separados unos de otros por barreras aislantes. Son como dos resistencias sensibles a campos magnéticos conectadas en serie. Las estructuras muestran cuatro estados de resistencia definidos por los grosores tanto de los electrodos como de las barreras, de tal manera que es posible controlar el ruido en cada uno de los estados”, explica Farkhad Aliev, profesor de la UAM y firmante el artículo.

El experimento

Para estudiar el comportamiento del ruido de disparo en función de un campo magnético aplicado, los investigadores se valieron del factor de Fano (F). Este coeficiente compara el ruido de disparo asociado a un voltaje determinado con el valor que se obtendría si ese voltaje se aplicara a una unión túnel convencional.

El experimento se llevó a cabo en un equipo criogénico, a una temperatura de 0.3 grados por encima del cero absoluto (aproximadamente -272ºC), eliminando así la contribución térmica del ruido.

En la figura se puede observar cómo el valor del ruido de disparo depende del campo magnético aplicado y, por tanto, del estado resistivo de la muestra. Por ejemplo, en el estado 3 de la figura, puede verse que el valor del ruido es considerablemente menor que en el resto.

Los datos empíricos obtenidos fueron comparados con teorías desarrolladas por colaboradores de las universidades de Poznan y Rzesov (Polonia), pudiéndose estimar el tiempo durante el cual el espín del electrón permanece inalterado en los dispostivos: un dato de gran importancia para el diseño de los componentes espintrónicos.

El trabajo fue realizado por el investigador predoctoral Juan Pedro Cascales bajo la dirección de Farkhad Aliev, ambos pertenecientes al grupo MAGNETRANS del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM. Además de las instituciones polacas mencionadas, estos investigadores contaron con la colaboración de la Universidad de Nancy (Francia) en la fabricación de los dispositivos utilizados en el experimento.

Figura 1.En la figura se muestra cómo depende la resistencia (curva roja) con el campo magnético, donde pueden verse tres estados bien diferenciados de resistencia. El factor de Fano (puntos azules), y por tanto el ruido de disparo, dependen del estado magnético, y se observa que las fluctuaciones son menores en el estado 3. El dibujo representa, intuitivamente, el paso por la corriente por la estructura, donde se obtendría una señal menos aleatoria (o con menor ruido) en el estado 3.

Imagen (Fuente UAM)

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Referencia bibliográfica:

J. P. Cascales, D. Herranz, F. G. Aliev, T. Szczepański, V. K. Dugaev, J. Barnaś, A. Duluard, M. Hehn, and C. Tiusan. Controlling Shot Noise in Double-Barrier Magnetic Tunnel Junctions. Phys. Rev. Lett. 109, 066601 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.066601

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