Devido ao seu potencial para tornar os computadores mais rápidos e os smartphones mais eficientes, a spintrônica é considerada um conceito promissor para o futuro da eletrônica. Em uma colaboração incluindo o Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) e o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), uma equipe de pesquisadores agora gerou com sucesso as chamadas ondas de spin com muito mais facilidade e eficiência do que se julgava possível anteriormente. Os pesquisadores apresentam seus resultados na revista Cartas de revisão física .

Os chips de computador modernos são baseados no transporte de cargas elétricas. Cada evento de processamento faz com que uma corrente de elétrons flua em um componente eletrônico. Esses elétrons encontram resistência, que gera calor indesejado. Quanto menores forem as estruturas em um chip, mais difícil é dissipar o calor. Essa arquitetura baseada em carga também é parcialmente a razão pela qual as taxas de clock dos processadores não viram nenhum aumento significativo nos anos. A curva de desenvolvimento constante de desempenho e velocidade do chip está agora se achatando. “Os conceitos existentes estão atingindo seus limites, "explica o Dr. Sebastian Wintz do Instituto de Física de Feixe de Íons e Pesquisa de Materiais do HZDR." É por isso que estamos trabalhando em uma nova estratégia, as ondas de rotação. "

Essa abordagem não envolve mais despesas de transporte, mas apenas transfere o momento angular intrínseco dos elétrons (spin) em um material magnético. Os próprios elétrons permanecem estacionários, enquanto apenas seus spins mudam. Uma vez que os spins dos elétrons vizinhos sentem um ao outro, uma mudança em um giro pode chegar a seus vizinhos. O resultado é um sinal magnético percorrendo o material como uma onda - uma onda de spin. A vantagem dos componentes movidos a rotação é que eles gerariam muito pouco calor, o que significa que eles podem usar muito menos energia - e isso é de grande interesse para dispositivos móveis, como smartphones. Também pode ser possível miniaturizar componentes para certas aplicações porque as ondas de spin têm comprimentos de onda muito mais curtos do que os sinais eletromagnéticos comparáveis, por exemplo, na comunicação móvel. Isso significa que poderíamos colocar mais circuitos em um chip do que podemos hoje.

Agitando uma onda de rotação com um vórtice magnético

Antes que possamos fazer tudo isso, primeiro precisamos de muito mais pesquisas fundamentais. Por exemplo, precisamos saber como gerar ondas de spin de maneira eficiente. Os especialistas estão tentando resolver isso há algum tempo, anexando tiras de metal do tamanho de um micrômetro em finas camadas magnéticas. Uma corrente alternada passando por essa faixa cria um campo magnético que é limitado a um espaço muito pequeno. Este campo irá então excitar uma onda de spin na camada magnética. Mas esse método tem uma desvantagem:é difícil fazer o comprimento de onda das ondas de spin geradas menor do que a largura da tira de metal - o que é desfavorável para o desenvolvimento de componentes altamente integrados com estruturas do tamanho de nanômetros.

No entanto, há uma alternativa:um material magnético moldado em discos circulares evoca a formação de vórtices magnéticos cujos núcleos medem não mais do que cerca de dez nanômetros. Um campo magnético pode então fazer este núcleo de vórtice oscilar, que dispara uma onda de spin na camada. "Algum tempo atrás, precisávamos de materiais multicamadas relativamente complexos para fazer isso acontecer, "Relatórios Wintz." Agora conseguimos enviar ondas de spin de núcleos de vórtice em um material muito simples. "Eles usam uma camada de liga de ferro de níquel fácil de fabricar com cerca de 100 nanômetros de espessura.

Comprimentos de onda inesperadamente curtos

O que é notável é o comprimento de onda das ondas de spin geradas - meros 80 nanômetros. "A comunidade de especialistas ficou surpresa por termos feito isso em um material tão simples, "diz o Dr. Georg Dieterle, que explorou o fenômeno em seu doutorado. tese no MPI-IS. "Também não esperávamos ser capazes de gerar essas ondas curtas em frequências na faixa de gigahertz mais baixa." Os especialistas acreditam que a razão para os comprimentos de onda curtos reside na maneira como eles viajam. Perto do centro da seção transversal da camada de ferro níquel, a onda de spin forma uma espécie de "nó", dentro do qual a direção magnética oscila apenas para cima e para baixo, em vez de ao longo de sua trajetória geralmente circular.

Para tornar esses fenômenos visíveis, a equipe usou um microscópio especial de raios-X no anel de armazenamento de elétrons BESSY II no Helmholtz Zentrum Berlin. "Este é o único lugar na Terra que oferece as resoluções de espaço e tempo necessárias nesta combinação, "enfatiza a professora Gisela Schütz, diretor do MPI-IS. "Sem este microscópio, não teríamos sido capazes de observar esses efeitos. "Agora, os especialistas esperam que seus resultados ajudem no desenvolvimento da spintrônica." Nossos núcleos de vórtice poderiam, por exemplo, servir como um local, fonte bem controlável para explorar os fenômenos subjacentes e desenvolver novos conceitos com componentes baseados em ondas de spin, "Dieterle diz." As ondas de spin que observamos podem ser de relevância futura para circuitos altamente integrados. "