O armazenamento de dados magnéticos há muito é considerado muito lento para ser usado nas memórias de trabalho de computadores. Pesquisadores da ETH agora investigaram uma técnica pela qual a gravação de dados magnéticos pode ser feita consideravelmente mais rápido e usando menos energia.

Por quase setenta anos agora, fitas magnéticas e discos rígidos têm sido usados ​​para armazenamento de dados em computadores. Apesar de muitas novas tecnologias que foram desenvolvidas nesse ínterim, a magnetização controlada de um meio de armazenamento de dados continua sendo a primeira escolha para o arquivamento de informações por causa de sua longevidade e baixo preço. Como um meio de realizar memórias de acesso aleatório (RAMs), Contudo, que são usados ​​como a memória principal para processamento de dados em computadores, as tecnologias de armazenamento magnético foram consideradas inadequadas por muito tempo. Isso se deve principalmente à sua baixa velocidade de gravação e ao consumo de energia relativamente alto.

Pietro Gambardella, Professor do Departamento de Materiais da ETH Zurique, e seus colegas, junto com colegas do Departamento de Física e do Instituto Paul Scherrer (PSI), agora mostraram que usando uma nova técnica, o armazenamento magnético ainda pode ser alcançado muito rápido e sem desperdício de energia.

Inversão de magnetização sem bobinas

Em tecnologias tradicionais de armazenamento de dados magnéticos, são usados ​​suportes de dados em fita ou disco revestidos com uma liga de cobalto. Uma bobina transportadora de corrente produz um campo magnético que muda a direção da magnetização em uma pequena parte do portador de dados. Em comparação com as velocidades dos processadores modernos, este procedimento é muito lento, e a resistência elétrica das bobinas leva à perda de energia. Seria, Portanto, seria muito melhor se alguém pudesse mudar a direção da magnetização diretamente, sem fazer um desvio por meio de bobinas magnéticas.

Em 2011, Gambardella e seus colegas já demonstraram uma técnica que poderia fazer exatamente isso:uma corrente elétrica passando por um filme semicondutor especialmente revestido inverteu a magnetização em um minúsculo ponto de metal. Isso é possível graças a um efeito físico chamado torque de rotação-órbita. Nesse sentido, uma corrente fluindo em um condutor leva a um acúmulo de elétrons com momento magnético oposto (spins) nas bordas do condutor. O elétron gira, por sua vez, criar um campo magnético que faz com que os átomos em um material magnético próximo mudem a orientação de seus momentos magnéticos. Em um novo estudo, os cientistas investigaram agora como esse processo funciona em detalhes e quão rápido ele é. Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature Nanotechnology .

Resolução espacial com raios-X

Em seu experimento, os pesquisadores inverteram a magnetização de um ponto de cobalto com um diâmetro de apenas 500 nanômetros usando pulsos de corrente elétrica que fluíam através de um fio de platina adjacente. Durante este processo, eles expuseram o ponto de cobalto a raios-X fortemente focados que foram criados na fonte de luz suíça do PSI. Os raios X varreram o ponto sucessivamente com uma resolução espacial de 25 nanômetros. A intensidade com que o ponto absorveu os raios X em um determinado ponto dependia da direção da magnetização local.

"Desta forma, obtivemos uma imagem bidimensional da magnetização dentro do ponto de cobalto e pudemos observar como o pulso da corrente gradualmente o alterou", explica Manuel Baumgartner, autora principal do estudo e aluna de doutorado do grupo de pesquisa de Gambardella.

Os pesquisadores puderam então observar que a inversão da magnetização acontecia em menos de um nanossegundo - consideravelmente mais rápido do que em outras técnicas estudadas recentemente. "Além disso, agora podemos prever com base nos parâmetros experimentais quando e onde a inversão de magnetização começa e onde termina ", Gambardella acrescenta. Em outras técnicas, a inversão também é acionada por uma corrente elétrica, mas é desencadeado por flutuações térmicas no material, o que causa grandes variações no tempo da inversão.

Possível aplicação em RAMs

Os pesquisadores enviaram até um trilhão de pulsos de inversão através do ponto de cobalto a uma frequência de 20 MHz sem observar qualquer redução na qualidade da inversão de magnetização. “Isso nos dá a esperança de que nossa tecnologia seja adequada para aplicações em RAMs magnéticos”, diz o ex-pós-doutorado de Gambardella Kevin Garello, também um dos principais autores do estudo. Garello agora trabalha no centro de pesquisa IMEC em Leuven, Bélgica, investigando a realização comercial da técnica.

Em uma primeira etapa, os pesquisadores agora gostariam de otimizar seus materiais para fazer a inversão funcionar ainda mais rápido e com correntes menores. Uma possibilidade adicional é melhorar a forma dos pontos de cobalto. Por enquanto, aqueles são circulares, mas outras formas, como elipses ou diamantes, podem tornar a inversão de magnetização ainda mais eficiente, dizem os pesquisadores. RAMs magnéticos poderiam, entre outras coisas, tornar obsoleto o carregamento do sistema operacional ao inicializar um computador - os programas relevantes permaneceriam na memória de trabalho mesmo quando a energia fosse desligada.