Uma nova abordagem para controlar o magnetismo em um microchip pode abrir as portas da memória, Informática, e dispositivos de detecção que consomem drasticamente menos energia do que as versões existentes. A abordagem também pode superar algumas das limitações físicas inerentes que têm retardado o progresso nesta área até agora.

Pesquisadores do MIT e do Laboratório Nacional de Brookhaven demonstraram que podem controlar as propriedades magnéticas de um material de película fina simplesmente aplicando uma pequena voltagem. As mudanças na orientação magnética feitas desta forma permanecem em seu novo estado, sem a necessidade de qualquer alimentação contínua, ao contrário dos chips de memória padrão de hoje, a equipe encontrou.

A nova descoberta está sendo relatada hoje no jornal Materiais da Natureza , em um artigo de Geoffrey Beach, professor de ciência e engenharia de materiais e codiretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT; estudante de graduação Aik Jun Tan; e outros oito no MIT e Brookhaven.

Spin doctor

À medida que os microchips de silício se aproximam dos limites físicos fundamentais que podem limitar sua capacidade de continuar a aumentar suas capacidades e, ao mesmo tempo, diminuir o consumo de energia, os pesquisadores têm explorado uma variedade de novas tecnologias que podem contornar esses limites. Uma das alternativas promissoras é uma abordagem chamada spintrônica, que faz uso de uma propriedade dos elétrons chamada spin, em vez de sua carga elétrica.

Como os dispositivos spintrônicos podem reter suas propriedades magnéticas sem a necessidade de energia constante, que os chips de memória de silício exigem, eles precisam de muito menos energia para operar. Eles também geram muito menos calor - outro fator de limitação importante para os dispositivos de hoje.

Mas a tecnologia spintrônica sofre de suas próprias limitações. Um dos maiores ingredientes que faltam é uma maneira de controlar de forma fácil e rápida as propriedades magnéticas de um material eletricamente, aplicando uma tensão. Muitos grupos de pesquisa em todo o mundo têm perseguido esse desafio.

Tentativas anteriores basearam-se no acúmulo de elétrons na interface entre um ímã metálico e um isolador, usando uma estrutura de dispositivo semelhante a um capacitor. A carga elétrica pode alterar as propriedades magnéticas do material, mas apenas por uma quantidade muito pequena, tornando-o impraticável para uso em dispositivos reais. Também houve tentativas de usar íons em vez de elétrons para alterar as propriedades magnéticas. Por exemplo, íons de oxigênio têm sido usados ​​para oxidar uma fina camada de material magnético, causando mudanças extremamente grandes nas propriedades magnéticas. Contudo, a inserção e remoção de íons de oxigênio faz com que o material inche e encolha, causando danos mecânicos que limitam o processo a apenas algumas repetições - tornando-o essencialmente inútil para dispositivos computacionais.

A nova descoberta demonstra uma maneira de contornar isso, usando íons de hidrogênio em vez dos íons de oxigênio muito maiores usados ​​em tentativas anteriores. Uma vez que os íons de hidrogênio podem entrar e sair com muita facilidade, o novo sistema é muito mais rápido e oferece outras vantagens significativas, dizem os pesquisadores.

Como os íons de hidrogênio são muito menores, eles podem entrar e sair da estrutura cristalina do dispositivo spintrônico, mudando sua orientação magnética a cada vez, sem danificar o material. Na verdade, a equipe já demonstrou que o processo não produz degradação do material após mais de 2, 000 ciclos. E, ao contrário de íons de oxigênio, hidrogênio pode facilmente passar por camadas de metal, que permite à equipe controlar propriedades de camadas profundas em um dispositivo que não poderiam ser controladas de outra forma.

"Quando você bombeia hidrogênio em direção ao ímã, a magnetização gira, "Tan diz." Você pode realmente alternar a direção da magnetização em 90 graus aplicando uma voltagem - e é totalmente reversível. "Uma vez que a orientação dos pólos do ímã é o que é usado para armazenar informações, isso significa que é possível escrever e apagar facilmente "bits" de dados em dispositivos spintrônicos usando este efeito.

De praia, cujo laboratório descobriu o processo original para controlar o magnetismo por meio de íons de oxigênio há vários anos, diz que a descoberta inicial desencadeou uma ampla pesquisa em uma nova área chamada de "iônica magnética, "e agora essa descoberta mais recente" deu fim a todo esse campo.

Essencialmente, Praia explica, ele e sua equipe estão "tentando fazer um análogo magnético de um transistor, "que pode ser ligado e desligado repetidamente sem degradar suas propriedades físicas.

Apenas adicione água

A descoberta aconteceu, em parte, através da serendipidade. Ao fazer experiências com materiais magnéticos em camadas em busca de maneiras de mudar seu comportamento magnético, Tan descobriu que os resultados de seus experimentos variavam muito de um dia para o outro, por razões que não eram aparentes. Eventualmente, examinando todas as condições durante os diferentes testes, ele percebeu que a principal diferença era a umidade do ar:o experimento funcionou melhor em dias úmidos do que em dias secos. O motivo, ele finalmente percebeu, era que as moléculas de água do ar estavam sendo divididas em oxigênio e hidrogênio na superfície carregada do material, e enquanto o oxigênio escapou para o ar, o hidrogênio se ionizou e estava penetrando no dispositivo magnético - e mudando seu magnetismo.

O dispositivo que a equipe produziu consiste em um sanduíche de várias camadas finas, incluindo uma camada de cobalto onde ocorrem as mudanças magnéticas, ensanduichada entre camadas de um metal, como paládio ou platina, e com uma camada de óxido de gadolínio, e, em seguida, uma camada de ouro para conectar à voltagem elétrica motriz.

O magnetismo é comutado com apenas uma breve aplicação de voltagem e então permanece parado. Reverter isso não requer energia alguma, apenas causando um curto-circuito no dispositivo para conectar seus dois lados eletricamente, enquanto um chip de memória convencional requer energia constante para manter seu estado. "Já que você está apenas aplicando um pulso, o consumo de energia pode diminuir, "Beach diz.

Os novos dispositivos, com seu baixo consumo de energia e alta velocidade de comutação, poderia eventualmente ser especialmente útil para dispositivos como computação móvel, Beach diz, mas o trabalho ainda está em um estágio inicial e exigirá mais desenvolvimento.

"Posso ver protótipos baseados em laboratório dentro de alguns anos ou menos, ", diz ele. Fazer uma célula de memória totalmente funcional é" bastante complexo "e pode levar mais tempo, ele diz.