Quando a eficiência energética da eletrônica representa um desafio, materiais magnéticos podem ter uma solução.

A eficiência energética fará ou destruirá o futuro. Como a demanda por energia de eletrônicos continua crescendo, a Semiconductor Research Corporation avisa que dentro de duas décadas, a demanda computacional global de energia será maior do que a quantidade total produzida. Vincent Sokalski, professor assistente de ciência de materiais e engenharia na Carnegie Mellon University, está trabalhando em uma solução para este problema - usando materiais magnéticos para memória e computação com eficiência energética.

Sokalski recebeu recentemente uma doação de US $ 1,8 milhão da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) para seu projeto, "Skyrmions de parede de domínio:excitações topológicas confinadas a canais 1-D." Junto com os professores do CMU Marc De Graef (MSE) e Di Xiao (Física), Sokalski irá explorar novas maneiras de processar e armazenar informações de forma eficiente com materiais magnéticos.

Embora os materiais magnéticos já sejam usados ​​nas unidades de disco rígido de hoje para armazenamento de longo prazo, semicondutores são usados ​​atualmente para memória de curto prazo e processamento, que é onde a maior parte da energia é consumida. Contudo, à medida que os semicondutores encolhem para atender às expectativas do consumidor quanto à velocidade e densidade, chega-se a um limite para o quão pequenos eles podem ser feitos sem o risco de perda de informações. A DARPA reconhece este desafio, e projetos de pesquisa financiados pelo programa "Topological Excitations in Electronics" da DARPA em encontrar maneiras de usar "proteção topológica" para melhorar materiais magnéticos que podem ser usados ​​para armazenamento de memória de computador ou processadores.

Imagine uma tigela com uma pequena bola rolando dentro. Enquanto você agita, a bola se move para cima e para baixo nas paredes da tigela, ficar dentro de casa. Contudo, se você fez isso com uma tigela menor, a bola pode eventualmente cair. De forma similar, quando um semicondutor é exposto ao calor, corre o risco de perder informações. Quanto menor você fabrica semicondutores, maior será o risco de perda de dados.

"A física fundamental por trás disso não é algo que possamos mudar prontamente, "explica Sokalski, "mas podemos olhar para sistemas e mecanismos materiais totalmente diferentes nos quais movemos as características magnéticas, e usar esses recursos magnéticos para alterar a resistência de um dispositivo de computação. Mas para fazer isso, realmente precisamos explorar e descobrir novos materiais que possam servir a esse propósito. "

Insira os materiais magnéticos. Ao melhorar os materiais magnéticos, Sokalski espera um dia encontrar novos materiais que possam aumentar, ou até mesmo substituir, semicondutores em computação.

O projeto de Sokalski começa com skyrmions magnéticos, ou bolhas magnéticas 2-D. Se usado na memória do computador, cada bolha armazenaria um único bit de dados.

"Skyrmions são um renascimento da ideia de memória de bolha" que foi amplamente estudada nas décadas de 1970 e 80, diz Sokalski. "Só que agora as bolhas são muito menores, mais estável, e têm proteção topológica, portanto, podemos movê-los com maior eficiência energética do que jamais poderíamos ter movido há cerca de 40 ou 50 anos. "

Em materiais magnéticos, pense em cada elétron como uma minúscula barra magnética com um pólo norte e um pólo sul apontando todos na mesma direção. Esses são chamados de giros. Sokalski está interessado em como criar defeitos topológicos nas linhas desses spins.

Para entender a importância da proteção topológica, primeiro você tem que entender os defeitos topológicos. Imagine empilhar uma bandeja de queijo com um amigo. Um de vocês começa do lado direito da bandeja, empilhando cada pedaço de queijo em cima do próximo, e o outro começa no lado esquerdo. Eventualmente, você vai se encontrar no meio, e suas fatias de queijo vão colidir, em vez de alinhar no mesmo ângulo. Esse ponto onde eles colidem é a essência de um defeito topológico.

Para apagar um defeito topológico, você teria que virar cada "fatia de queijo" de um lado do defeito. No magnetismo, se metade de seus giros em uma corrente apontar para a esquerda, e todos os outros apontam na direção oposta, você obteria um defeito no meio. Para fazer o defeito desaparecer, você teria que inverter cada rotação de um lado, movendo-o para a borda da corrente.

No magnetismo, esses defeitos topológicos são muito valiosos. Se você tiver um defeito topológico, isso significa que seus dados são protegidos topologicamente, porque se apenas um giro muda espontaneamente para apontar na direção oposta, o defeito apenas muda, ao invés de ir embora.

Por que esse tópico está surgindo repentinamente na pesquisa de materiais magnéticos? Todo magnetismo é baseado em algo chamado de Heisenberg Exchange, um efeito da mecânica quântica que faz com que os spins do elétron se alinhem em uma orientação paralela. Contudo, a descoberta de um novo fenômeno denominado Interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) leva a um alinhamento perpendicular dos spins vizinhos. A combinação de Heisenberg Exchange e DMI, que é o que Sokalski estuda, dá origem a um novo tipo de magnetismo que faz com que os spins dos elétrons tenham uma configuração em espiral contínua.

"Acontece que recursos em materiais magnéticos que são estabilizados por essa nova interação podem, na verdade, ser manipulados com melhor eficiência do que nos casos em que é apenas a Bolsa de Heisenberg, "diz Sokalski.

Ter maior controle sobre skyrmions e defeitos topológicos significaria armazenamento de dados mais confiável e eficiência de energia na computação.

"A DARPA está tentando contornar o desafio pendente de eletrônicos com eficiência energética, "diz Sokalski, "e isso vai desde os conceitos físicos mais fundamentais de spin até o design de computadores com uma arquitetura de circuito totalmente diferente. Nossa pesquisa levará a uma computação com eficiência energética que atenda às necessidades de inteligência artificial e computadores de pequena escala, ao mesmo tempo em que mitigam sua pegada energética global. "

MSE Ph.D. os alunos Maxwell Li e Derek Lau e o pesquisador de pós-doutorado em física Ran Cheng são colaboradores neste projeto, além dos Co-PIs Tim Mewes e Claudia Mewes da University of Alabama.