O NIST recebeu uma patente de tecnologia que pode acelerar o advento de uma tão esperada nova geração de alto desempenho, computadores de baixa energia.
Dispositivos microeletrônicos convencionais, em geral, funcionam manipulando e armazenando cargas elétricas em transistores semicondutores e capacitores. Fazer isso requer muita energia e gera muito calor, especialmente porque os engenheiros de processo continuam encontrando maneiras de incluir mais e menores recursos em circuitos integrados. O consumo de energia se tornou um dos principais obstáculos para um desempenho muito superior.
Uma abordagem alternativa altamente promissora, chamado de "spintrônica, "utiliza o spin quântico do elétron para reter informações além da carga. As duas orientações diferentes de spin (normalmente designadas" para cima "e" para baixo ") são análogas às cargas elétricas positivas e negativas na eletrônica convencional. Porque alterar o spin de um elétron requer muito pouca energia e pode acontecer muito rápido, a spintrônica oferece a possibilidade de redução significativa de energia.
"Nossa invenção, "diz o co-inventor Curt Richter da Divisão de Engenharia Física do NIST, "é projetado para fornecer um componente-chave em sistemas spintrônicos. É muito simples, bloco de construção fundamental que pode ser usado de várias maneiras diferentes. Ele pode servir como um interruptor liga-desliga para correntes de spin, como uma interconexão entre diferentes componentes spintrônicos, e como uma interface entre recursos magnéticos e eletrônicos para realizar dispositivos multifuncionais. "
O spin é o que torna as coisas magnéticas magnéticas:cada elétron se comporta como uma barra magnética, com dois pólos opostos. Materiais nos quais a maioria dos spins do elétron estão alinhados na mesma direção (polarizados) produzem um campo magnético com a mesma orientação. Elétrons com o mesmo alinhamento de spin do material passam facilmente por ele; elétrons com o alinhamento oposto são bloqueados.
Essa propriedade foi explorada para fazer "válvulas de spin" microscópicas - normalmente um canal com uma camada magnética em cada extremidade. A polaridade relativa dos dois ímãs liga ou desliga a válvula:Se ambos os ímãs tiverem o mesmo alinhamento, a corrente polarizada por spin passa pelo canal. Se os ímãs têm alinhamentos opostos, a corrente não pode fluir.
O dispositivo é "comutado" invertendo a polaridade de um ímã, o que é feito aplicando uma corrente suficiente de elétrons com o spin oposto. Contudo, inverter a polaridade do ímã consome mais energia do que os pesquisadores preferem.
"Normalmente com válvulas de rotação, "Diz Richter." Você tem que fazer fluir uma quantidade significativa de corrente de spin para inverter o componente. Correntes maiores significam que você está usando mais energia e gerando mais calor. Nossa invenção reduz ambos drasticamente. "
Inicialmente, os pesquisadores não tinham intenção de fazer um dispositivo ou obter uma patente. Eles nem mesmo estavam trabalhando diretamente no transporte de rotação. Eles estavam estudando o comportamento de uma classe diferente de dispositivos comumente chamados de "memristors" (resistores de memória), uma tecnologia que mal tem uma década, mas é amplamente anunciada como um potencial de alta velocidade, elemento básico de baixa energia para futuros computadores.
Memristores são sanduíches de microestrutura em camadas com um eletrodo na parte superior e inferior, entre as quais há uma camada de metal (por exemplo, cobre) que é um bom condutor elétrico e uma camada de material (como certos óxidos) que é um mau condutor. Essa configuração também é a estrutura mais comum usada em um novo tipo de memória chamada memória de acesso aleatório resistiva (RRAM ou ReRAM). Quando uma tensão é aplicada aos eletrodos em uma direção, a corrente pode fluir. Reverter a tensão desliga a corrente.
Os cientistas acreditam que a razão para esse fenômeno é que, quando uma tensão de polarização é aplicada em uma direção, faz com que os átomos do condutor de metal se difundam e interajam com o óxido, formando minúsculos filamentos de metal que atuam como canais de baixa resistência que penetram na camada isolante. Se a tensão for aplicada na direção oposta, a camada de óxido está esgotada de átomos de metal, e a resistência aumenta.
De qualquer jeito, quando a tensão de polarização é removida, o estado de resistência do óxido é congelado. Como esse estado foi formado por um viés específico aplicado em uma direção específica, o dispositivo "lembra" sua última resistência. Essa característica torna os memristors atraentes para uso em memória de computador "não volátil", na qual as informações armazenadas não desaparecem quando o instrumento é desligado.
"Então, quando começamos, havia válvulas de rotação e havia memristores, - diz Richter. - Mas ninguém pensou em colocá-los juntos. Sendo caras de medição no NIST, originalmente não pensamos em colocá-los juntos para inventar um novo dispositivo. Nós os colocamos juntos para que pudéssemos fazer medições para entender melhor como funcionam os memristores.
"Queríamos investigar como essa chave de voltagem liga e desliga. Pensamos que, se adicionarmos spin à análise, poderíamos obter mais informações sobre como funciona um memristor normal. No processo de fazer isso, fizemos este dispositivo e dissemos 'Ei, essa coisa por si só tem ramificações tecnológicas muito interessantes. ' Ele combina a memória não volátil em memristores com a tecnologia de uma válvula de rotação para criar um dispositivo que permite ligar e desligar um canal de rotação. "
"O que o torna único é que você pode abrir ou fechar um canal de rotação usando um controle elétrico, "diz o co-inventor Hyuk-Jae Jang." E assim, com uma pequena quantidade de voltagem, podemos ligar e desligar a corrente de spin em menos de nanossegundos sem ter que mudar a polaridade do eletrodo ferromagnético de uma válvula de spin. Esta operação de alta velocidade e baixo consumo de energia é essencial para construir a futura tecnologia de lógica baseada em spintrônica para substituir a atual tecnologia eletrônica baseada em CMOS usada para fabricar quase todos os circuitos integrados hoje. "
A patente do NIST cobre dispositivos feitos com uma variedade de materiais. A combinação primária usada nos experimentos dos inventores foi, de baixo para cima, uma camada de base magnética feita de cobalto que serve para polarizar os elétrons, uma camada isolante feita de óxido de tântalo, uma camada de cobre, e um eletrodo de topo de liga.
Na configuração "on", os átomos de cobre são atraídos para o óxido e seus filamentos se estendem até a camada de base de cobalto. Inverter a tensão faz com que o cobre recue, e "há uma região vazia na camada de óxido, "Diz Richter." Assim que isso acontecer, a corrente pára. Pode estar a apenas alguns átomos de distância, por causa da queda exponencial com a distância. Isso o torna um interruptor de energia muito baixa. "
John Kramar, Chefe em exercício da Divisão de Engenharia Física do NIST, chama o trabalho de "uma invenção muito empolgante que fornece uma grande solução para o problema de energia de comutação para válvulas de spin. Ela remove uma barreira tecnológica significativa para que a spintrônica se torne um forte competidor para além da microeletrônica CMOS."
