Spintrônica pode não ser o tipo de palavra que surge nas discussões diárias, mas vem revolucionando a tecnologia da computação há anos. É o ramo da física que envolve a manipulação do spin de um fluxo de elétrons, que chegou aos consumidores no final da década de 1990 na forma de discos rígidos magnéticos de computador com várias centenas de vezes a capacidade de armazenamento de seus antecessores.

Esses e outros dispositivos eletrônicos foram refinados para tornar os computadores muito mais poderosos novamente, sem falar que é muito mais frio e mais eficiente em termos de energia - permitindo tudo, desde tocadores de MP3 até os smartphones de hoje. Intel e Google começaram a revelar processadores quânticos no ano passado, e a Samsung e a Everspin lançaram os chips MRAM (memória magnética de acesso aleatório) há alguns meses. Espera-se que esta nova tecnologia melhore substancialmente o desempenho de computação - por uma estimativa, por exemplo, a redução potencial nos requisitos de energia pode ser superior a 99%.

Mesmo assim, todos esses avanços têm trabalhado sob uma grande limitação:a manipulação do spin está confinada a uma única camada ultrafina de material magnético. Dezenas dessas camadas são normalmente empilhadas em uma estrutura "ensanduichada", que interagem por meio de interfaces e interconexões complexas, mas sua funcionalidade é fundamentalmente 2-D por natureza.

Líderes da indústria, como Stuart Parkin, que criou o disco rígido de computador baseado em spintrônica original da IBM, o Deskstar 16GP Titan, Há anos vem dizendo que um dos maiores desafios da computação magnética é mudar para uma versão 3-D muito mais flexível e capaz.

Isso veria as informações transmitidas, armazenados e processados ​​em qualquer ponto da pilha tridimensional de camadas magnéticas. Avanços pioneiros recentes estão começando a trazer essa mudança de paradigma para mais perto, mas ainda enfrentamos grandes desafios para alcançar o mesmo grau de controle que temos em duas dimensões.

Em um novo artigo liderado pelas universidades de Glasgow e Cambridge, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Hamburgo, a Universidade Técnica de Eindhoven e a Escola de Ciências da Aalto University, demos um passo significativo em direção a esse objetivo.

Giros e cargas

A eletrônica tradicional é baseada no fato de que os elétrons têm cargas elétricas. Em um computador básico, chips e outras unidades transmitem informações enviando e recebendo pequenos pulsos elétricos. Eles registram um "um" para um pulso e um "zero" para nenhum pulso, e contando-os ao longo de milhões de repetições, torna-se a base de uma linguagem de instruções.

Os discos rígidos magnéticos tradicionais também dependem de propriedades associadas a cargas elétricas, mas eles funcionam em um princípio diferente, com regiões muito minúsculas de um disco magnético plano registrando zeros e uns por meio de suas duas orientações magnéticas possíveis. As unidades magnéticas têm a grande vantagem de que os dados ainda estão lá, mesmo quando a energia é desligada, embora a informação seja gravada e recuperada muito mais lentamente do que usando os transistores que encontramos em circuitos de computador.

A spintrônica é diferente:ela explora a carga e o magnetismo intrínseco dos elétrons - também conhecido como spin. A diferença entre o giro e a carga às vezes é comparada à maneira como a Terra orbita o sol, mas também gira em seu eixo ao mesmo tempo. Mas enquanto os elétrons são sempre carregados negativamente, eles podem girar "para cima" ou "para baixo".

Foi descoberto no final da década de 1980 que se uma corrente elétrica fosse conduzida através de um dispositivo formado por uma folha não magnética imprensada entre duas folhas magnéticas, a resistência deste dispositivo ao fluxo de elétrons mudaria dramaticamente dependendo da orientação dos ímãs dentro das duas folhas magnéticas.

Este efeito foi facilmente explorado em discos rígidos, com esses sistemas spintrônicos atuando como sensores muito sensíveis que podiam ler muito mais zeros e uns de informações magnéticas na mesma área do que os discos rígidos anteriores - transformando assim a capacidade de armazenamento. Conhecida como magnetorresistência gigante, isso mais tarde rendeu o Prêmio Nobel de Física para Albert Fert e Peter Grunberg, os dois cientistas que o descobriram simultaneamente.

Spintrônica quiral

Desde o nascimento da spintrônica, houve muitos avanços importantes, incluindo alguns recentes empolgantes em uma área chamada spintrônica quiral. Considerando que normalmente pensamos em dois ímãs como tendo um "norte" e um "sul" que giram em direção ou afastados um do outro ao longo de uma linha de 180º - veja a bússola no final deste vídeo, por exemplo - sob condições específicas, minúsculos ímãs no nível atômico também apresentam interações de spin quirais. Isso significa que os ímãs vizinhos têm preferência para orientar em ângulos de 90º.

A existência dessas interações é um ingrediente chave para criar e manipular pseudo-partículas chamadas skyrmions magnéticos, que têm propriedades topológicas que os permitem executar aplicativos de computação de forma mais eficaz, com enorme potencial para melhorar ainda mais o armazenamento de dados.

Até agora, Contudo, as interações quirais de spin só foram observadas e exploradas na spintrônica 2-D. Em nosso novo jornal, mostramos pela primeira vez que essa interação também pode ser criada entre ímãs localizados em duas camadas magnéticas vizinhas separadas por uma camada metálica não magnética ultrafina.

Por esta, criamos um dispositivo com um total de oito camadas usando uma técnica chamada sputtering para depositar filmes finos em nanoescala. Tivemos que ajustar cuidadosamente as interfaces das camadas para equilibrar outras interações magnéticas, e estudamos o comportamento do sistema sob campos magnéticos em temperatura ambiente empregando lasers. O comportamento do dispositivo foi confirmado por simulações magnéticas complementares realizadas por nosso colaborador da Universidade de Hamburgo.

Esta descoberta abre novas rotas interessantes para explorar mais efeitos spintrônicos 3-D, com as interações de spin quirais desempenhando um papel fundamental para criar maneiras mais compactas e eficientes de armazenar e mover dados magnéticos ao longo de todo o espaço 3-D. Trabalhos futuros se concentrarão em encontrar maneiras de aumentar a força dessa interação e expandir a gama de dispositivos onde o efeito está presente. Esperamos que nosso trabalho atraia grande interesse da comunidade spintrônica e estimule a indústria a continuar trabalhando em dispositivos de computação magnética baseados nesses conceitos radicalmente novos.

O primeiro impacto da spintrônica no mercado de computação foi extremamente rápido - levou apenas oito anos desde a descoberta da magnetorresistência gigante até o lançamento do Deskstar 16GP Titan da IBM em 1997. O salto para o 3-D ainda precisa superar vários obstáculos, desde a fabricação precisa dos dispositivos necessários até a exploração de interações magnéticas em arquiteturas de computação não convencionais. Nossa recente descoberta nos traz um passo mais perto de alcançar este objetivo muito desafiador, mas emocionante.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.