Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) demonstraram uma maneira potencialmente nova de fazer interruptores dentro dos chips de processamento de um computador, permitindo que usem menos energia e irradiem menos calor.

A equipe desenvolveu uma técnica prática para controlar magnons, que são essencialmente ondas que viajam através de materiais magnéticos e podem transportar informações. Usar magnons para processamento de informações requer um mecanismo de comutação que pode controlar a transmissão de um sinal magnon através do dispositivo.

Enquanto outros laboratórios criaram sistemas que transportam e controlam magnons, a abordagem da equipe traz duas novidades importantes:seus elementos podem ser construídos em silício, em vez de substratos exóticos e caros, como outras abordagens exigiram. Ele também opera de forma eficiente em temperatura ambiente, em vez de exigir refrigeração. Por essas e outras razões, essa nova abordagem pode ser mais prontamente empregada pelos fabricantes de computadores.

"Este é um bloco de construção que pode abrir caminho para uma nova geração de tecnologia de informática altamente eficiente, "disse o membro da equipe Patrick Quarterman, um físico do NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Outros grupos criaram e controlaram magnons em materiais que não se integram bem com chips de computador, enquanto o nosso é feito de silício. É muito mais viável para a indústria. "

Magnons, também chamadas de ondas de spin, iria aproveitar a propriedade do spin do elétron para transferir informações. Uma razão pela qual os chips de computador esquentam tanto é que, em um circuito convencional, elétrons viajam de um lugar para outro, e seu movimento gera calor. Um magnon, Contudo, se move através de uma longa sequência de elétrons, que eles próprios não precisam de viajar. Em vez de, a direção de rotação de cada elétron - que é um pouco como uma seta se estendendo pelo eixo de um pião - influencia magneticamente a direção de rotação do próximo elétron na linha. Ajustar o spin do primeiro elétron envia uma onda de mudanças de spin propagando-se pela corda. Porque os próprios elétrons não se movem, resultaria muito menos calor.

Como a corda de elétrons se estende de um lugar para outro, o magnon pode carregar informações enquanto viaja pela corda. Em chips baseados na tecnologia magnon, alturas de onda maiores e menores (amplitudes) podem representar uns e zeros. E porque a altura da onda pode mudar gradualmente, um magnon pode representar valores entre um e zero, dando a ele mais recursos do que um switch digital convencional.

Embora essas vantagens tenham tornado o processamento de informações baseado em magnons uma ideia tentadora na teoria, até agora, a maioria das estruturas de sucesso foram construídas dentro de várias camadas de filmes finos que ficam sobre uma base de granada de gálio de gadolínio, em vez de sobre o silício de que os chips comerciais são feitos. Este material "GGG" seria proibitivamente caro para produção em massa.

"É um playground de física divertido que demonstra os princípios básicos, "Quarterman disse, "mas não é prático para produção em escala industrial."

Contudo, Yabin Fan e seus colegas do MIT usaram uma abordagem de engenharia criativa para colocar camadas de filmes finos sobre uma base de silício. O objetivo deles era construir seu sistema com base no material com o qual a indústria de computadores está acostumada a trabalhar, permitindo assim que os magnons façam interface com a tecnologia de computador convencional.

Inicialmente, sua criação em várias camadas não se comportou como o esperado, mas os cientistas do NCNR usaram uma técnica chamada refletometria de nêutrons para explorar o comportamento magnético dentro do dispositivo. Os nêutrons revelaram uma interação inesperada, mas vantajosa entre duas das camadas de filme fino:Dependendo da quantidade de campo magnético aplicado, os materiais se organizam de maneiras diferentes que podem representar o estado "ligado" ou "desligado" de uma chave, bem como posições entre ligado e desligado - tornando-o semelhante a uma válvula.

"À medida que você diminui o campo magnético, a direção muda, "disse Fan, um associado de pós-doutorado no departamento de engenharia elétrica do MIT. "Os dados são muito claros e nos mostraram o que estava acontecendo em diferentes profundidades. Há um acoplamento muito forte entre as camadas."

O interruptor magnon também pode ser usado em dispositivos que fazem outro tipo de cálculo. Os interruptores digitais convencionais só podem existir nos estados ligado ou desligado, mas porque a amplitude da onda de spin pode mudar gradualmente de pequena para grande, é possível que magnons possam ser usados ​​em aplicações de computação analógica, onde a chave tem valores entre 0 e 1.

"É por isso que consideramos isso mais como uma válvula, "Quarterman disse." Você pode abrir ou fechar um pouco de cada vez.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.