La spintrónica busca reemplazar la electrónica tradicional, donde el aumento de la carga computacional choca con la disipación de calor y la arquitectura de von Neumann. La lógica basada en corrientes de espín promete computación dentro de la memoria, pero hasta ahora se apoyaba en imanes metálicos como el cobalto-hierro-boro, difíciles de escalar. Los imanes de van der Waals, como el Fe3GaTe2, atraen por su baja magnetización, el apilamiento flexible de capas y sus interfaces limpias, sin enlaces colgantes. Sin embargo, ningún dispositivo basado en ellos había operado a temperatura ambiente sin campo magnético externo ni había mostrado estabilidad térmica medida.
El cristal de Fe3GaTe2 se cultivó por el método de autoflujo; luego se exfolió una capa de 37 nanómetros de espesor y se transfirió a un sustrato de silicio oxidado dentro de una guantera de argón. Encima se depositó platino de 4 nanómetros de espesor como fuente de corriente de espín. A partir de la bicapa se grabó una doble cruz de Hall con electrodos. La geometría asimétrica de las cruces rompe la simetría de inversión transversal del campo eléctrico, lo que genera espines perpendiculares y un campo magnético efectivo suficiente para conmutar la magnetización sin campo externo. La conmutación se probó con pulsos de corriente de distinta duración y se midió la resistencia Hall anómala.
El dispositivo muestra estados estables '0' y '1' a temperatura ambiente con una coercitividad de 20 mT. Sin campo externo, la conmutación ocurre solo en las cruces asimétricas, y las cruces izquierda y derecha conmutan en direcciones opuestas. Las mediciones de la dependencia de la corriente de conmutación con la duración del pulso arrojaron una densidad de corriente crítica interna de 1,8×10⁷ A/cm² y un factor de estabilidad térmica de 50. Es el primer informe de estos parámetros para un imán homogéneo de van der Waals. Para un canal de tamaño industrial de 100×50 nm², la energía de escritura estimada es de 1,5 fJ por bit con un pulso de 1 ns, lo que supone 40 veces menos energía que en dispositivos optimizados basados en wolframio y cobalto-hierro-boro.
El trabajo demuestra por primera vez que un imán homogéneo de van der Waals con canal de platino puede servir de base para una lógica de espín escalable a temperatura ambiente. A diferencia de trabajos previos que usaban gradientes de composición, capas antiferromagnéticas o cristales de baja simetría, aquí se logra la conmutación sin campo gracias a la asimetría eléctrica en el platino altamente conductor. Esto abre el camino hacia chips de computación densos y energéticamente eficientes con computación en memoria.
Una reducción adicional de la energía de escritura es posible disminuyendo el espesor de Fe3GaTe2 hasta unas pocas capas y usando aleaciones de platino con mayor eficiencia de corriente de espín. También resulta prometedor añadir magnetorresistencia túnel para una lectura de alta sensibilidad. El desarrollo de estos dispositivos podría conducir a circuitos lógicos de espín completos integrados con tecnología CMOS.
Los resultados influirán en el desarrollo de chips energéticamente eficientes para inteligencia artificial e internet de las cosas, donde la densidad y la disipación de calor son críticas.
Optimizar el espesor de la capa magnética y la composición del metal con efecto espín-Hall, así como probar el funcionamiento del dispositivo en matrices de bits a nanoescala.
Para la spintrónica sigue sin resolverse el problema de alcanzar simultáneamente alta estabilidad térmica, baja corriente de conmutación y escalabilidad a temperatura ambiente. Este trabajo muestra que los imanes de van der Waals pueden resolver este trilema, pero se requiere verificación en elementos a nanoescala y con pulsos subnanosegundo.
La energía de 1,5 fJ es comparable a la de un solo fotón de luz visible, pero es suficiente para conmutar un bit magnético.