Armazenamento de informações com espirais. Na maioria das memórias de computador, os valores 0/1 estão associados à orientação direita / esquerda de pequenos ímãs. Em uma memória magnetoelétrica prospectiva, os mesmos minúsculos ímãs são dispostos formando texturas espirais. Nesse caso, os valores 0/1 correspondem ao seu sentido de rotação (esquerda / direita). Crédito:Instituto Paul Scherrer / Marisa Medarde
Um novo material pode se tornar a base para futuros dispositivos de armazenamento de dados, uma vez que pode permitir reduções significativas nas demandas de energia em comparação com os discos rígidos atuais. Este é um material da classe dos chamados multiferróicos magnetoelétricos, cuja característica distintiva é que suas propriedades magnéticas e elétricas são acopladas entre si. Graças a este acoplamento, deve ser possível escrever bits magnéticos por meio de campos elétricos mais eficientes em termos de energia. Há muito se esperava que essa classe de materiais pudesse servir de base para memórias de computador no futuro. A vantagem do material multiferróico recentemente desenvolvido:exibe as propriedades magnéticas necessárias mesmo à temperatura ambiente, e não apenas - como acontece com a maioria dos multiferróicos magnetoelétricos até hoje - quando resfriados a temperaturas muito baixas, normalmente menos 200 graus Celsius. Os pesquisadores do PSI relatam seus novos resultados na revista Nature Communications .
Os pesquisadores do PSI criaram um novo material que possui um enorme potencial para futuras mídias de armazenamento de dados. Este é o chamado material magnetoelétrico multiferróico com uma melhoria crucial:ele retém as propriedades magnéticas necessárias até a temperatura ambiente e, portanto, é adequado para os fins do dia-a-dia.
Materiais multiferróicos magnetoelétricos são extremamente raros. Neles, as propriedades magnéticas e elétricas são acopladas umas às outras. Como resultado, as propriedades magnéticas podem ser controladas por meio da aplicação de um campo elétrico. Os campos elétricos podem ser gerados com mais facilidade e eficiência do que os campos magnéticos. Quando um campo elétrico é aplicado a multiferróicos magnetoelétricos, tem um efeito nas propriedades elétricas do material. Através do acoplamento magnetoelétrico, você então obtém uma mudança nas propriedades magnéticas de graça, disse Marisa Medarde, autor principal do novo estudo, descrevendo esta classe especial de materiais.
Armazenamento de dados e economia de energia
Os discos rígidos de computador atuais armazenam dados na forma de bits magnéticos que são escritos por meio da aplicação de um campo magnético. Em contraste, a mídia de armazenamento baseada em multiferróicos teria várias vantagens:O armazenamento magnético poderia ser realizado através da aplicação de um campo elétrico, que exigiria significativamente menos energia; dispositivos produziriam menos calor residual e, portanto, também teriam demandas menores de resfriamento, permitindo reduzir o uso de ventiladores e ar condicionado. Dado que a computação em nuvem consome muitos trilhões de quilowatt-hora de energia anualmente, a economia nesta área é de grande importância.
Os pesquisadores do PSI, Mickaël Morin e Marisa Medarde, congelaram no arranjo atômico do material multiferróico YBaCuFeO5. Por esta, o pedaço de material é primeiro aquecido em um forno a 1000 graus Celsius e depois jogado em um recipiente cheio de nitrogênio líquido frio a menos 200 graus Celsius. Crédito:Instituto Paul Scherrer / Markus Fischer
Em quase todos os materiais, magnetismo, como encontrado, por exemplo, no ferro, e ferroeletricidade - uma propriedade elétrica particular dos materiais - são mutuamente exclusivas. Aqui, os materiais multiferróicos representam uma exceção:eles são magnéticos e também ferroelétricos; além do que, além do mais, essas duas propriedades são acopladas uma à outra. Materiais que os cientistas foram capazes de criar até agora, Contudo, mostram comportamento multiferróico quase exclusivamente em temperaturas muito baixas, como menos 200 graus Celsius. O novo material dos pesquisadores do PSI é uma inovação nesse sentido.
Síntese, otimização de propriedade, e análises no PSI
Os pesquisadores criaram seu novo material adaptando tanto sua composição química quanto o processo de produção exato. Eles finalmente descobriram que o material com a fórmula química YBaCuFeO5 é adequado, e que produz os melhores resultados quando primeiro aquecido a uma alta temperatura e depois submetido a um resfriamento extremamente rápido. Em altas temperaturas, os átomos se organizam de forma a serem úteis para nossos propósitos, Medarde explica. O resfriamento rápido essencialmente congela esse arranjo no lugar. O método subjacente de resfriamento rápido - também conhecido como têmpera - é conhecido na fabricação de metais especialmente duros e tem sido usado por séculos, por exemplo, em temperar espadas de aço. Os pesquisadores PSI, Contudo, aplicaram temperaturas muito mais extremas:eles primeiro aqueceram seu material a 1000 graus Celsius e depois o resfriaram abrupta e rapidamente a menos 200 graus Celsius. Depois que o material é retirado deste banho de resfriamento, ele retém suas características magnéticas especiais até e um pouco acima da temperatura ambiente.
O procedimento de síntese e otimização de propriedades foi desenvolvido no PSI, onde os materiais também foram produzidos e posteriormente analisados em duas instalações de pesquisa de grande escala, a Swiss Spallation Neutron Source SINQ e a Swiss Light Source SLS. Nosso novo material não contém ingredientes caros, Medarde tem o prazer de relatar. E o método de produção - agora que resolvemos os detalhes - é fácil de colocar em prática.
Espirais magnéticas vistas pelos nêutrons. A imagem mostra a intensidade do feixe de nêutrons desviado após passar pela amostra. As duas linhas amarelas / verdes são a assinatura da espiral magnética, que é claramente visível de 2 a 310 Kelvin (menos 275 a mais 37 graus Celsius). Crédito:M. Morin et al., Nature Communications
O novo material deve suas propriedades à existência das chamadas espirais magnéticas em nível atômico. Essas minúsculas espirais são responsáveis pelo acoplamento de magnetismo e ferroeletricidade. Na maioria dos materiais, espirais magnéticas desaparecem quando o material fica mais quente do que cerca de 200 graus Celsius negativos. Os pesquisadores PSI vêem sua principal conquista em ter criado um material no qual as espirais magnéticas são estáveis à temperatura ambiente. Mesmo a 30 graus Celsius, nossas espirais magnéticas ainda estavam presentes, Medarde diz.
Um parente dos supercondutores de alta temperatura
O material YBaCuFeO5, na verdade, não é completamente novo. O composto foi realmente sintetizado pela primeira vez em 1988. Agora, Contudo, o processo de fabricação especial dos pesquisadores do PSI organiza com precisão os átomos de ferro e cobre de tal forma que o material adquire propriedades completamente novas. YBaCuFeO 5 está intimamente relacionado ao óxido de cobre e ítrio, bário, notação química YBa 2 Cu 3 O 6 + x , um grupo de supercondutores descobertos em 1987 que permanecem supercondutores até temperaturas relativamente altas:alguns deles perdem sua propriedade supercondutora em temperaturas em torno de 180 graus Celsius negativos - isto é, cerca de 200 graus abaixo da temperatura de ordem espiral do novo material desenvolvido no PSI.
