À medida que nossas vidas se tornam cada vez mais interligadas com a tecnologia - seja apoiando a comunicação enquanto trabalhamos remotamente ou transmitindo nosso programa favorito - o mesmo acontece com nossa confiança nos dados que esses dispositivos criam. Os data centers que suportam esses ecossistemas de tecnologia produzem uma pegada de carbono significativa - e consomem 200 terawatts-hora de energia a cada ano, maior do que o consumo anual de energia do Irã. Para equilibrar as preocupações ecológicas e ainda atender à demanda crescente, os avanços nos processadores microeletrônicos - a espinha dorsal de muitos dispositivos e hubs de dados da Internet das Coisas (IoT) - devem ser eficientes e ecologicamente corretos.

Os cientistas de materiais da Northwestern University desenvolveram novos princípios de design que podem ajudar a estimular o desenvolvimento de futuros materiais quânticos usados ​​para o avanço de dispositivos (IoT) e outras tecnologias de uso intensivo de recursos, ao mesmo tempo que limitam os danos ecológicos.

"Novos materiais inovadores e paradigmas de computação são necessários para tornar os data centers mais econômicos no futuro, "disse James Rondinelli, professor de ciência de materiais e engenharia e o professor Morris E. Fine em Materiais e Manufatura na McCormick School of Engineering, quem liderou a pesquisa.

O estudo marca um passo importante nos esforços de Rondinelli para criar novos materiais não voláteis, energia eficiente, e geram menos calor - aspectos importantes do futuro ultrarrápido, eletrônicos de baixa potência e computadores quânticos que podem ajudar a atender à crescente demanda mundial por dados.

Em vez de certas classes de semicondutores usando a carga do elétron em transistores para computação de potência, materiais baseados em spin de estado sólido utilizam o spin do elétron e têm potencial para suportar dispositivos de memória de baixa energia. Em particular, materiais com uma textura de rotação persistente de alta qualidade (PST) podem exibir uma hélice de rotação persistente de longa duração (PSH), que pode ser usado para rastrear ou controlar a informação baseada em spin em um transistor.

Embora muitos materiais baseados em spin já codifiquem informações usando spins, essa informação pode ser corrompida à medida que os spins se propagam na parte ativa do transistor. O romance PST dos pesquisadores protege essa informação de spin em forma de hélice, tornando-o uma plataforma potencial onde operam dispositivos de memória e lógica baseados em spin ultrabaixo e ultrarrápidos.

A equipe de pesquisa usou modelos de mecânica quântica e métodos computacionais para desenvolver uma estrutura para identificar e avaliar as texturas de spin em um grupo de materiais cristalinos não centrosimétricos. A capacidade de controlar e otimizar a vida útil do spin e as propriedades de transporte desses materiais é vital para perceber o futuro dos dispositivos microeletrônicos quânticos que operam com baixo consumo de energia.

"A característica limitante da computação baseada em spin é a dificuldade em obter spins de longa duração e totalmente controláveis ​​de materiais magnéticos e semicondutores convencionais, "Rondinelli disse." Nosso estudo ajudará futuros esforços teóricos e experimentais voltados para o controle de spins em materiais não magnéticos para atender às demandas econômicas e de escala futuras. "

A estrutura de Rondinelli usou modelos microscópicos eficazes e teoria de grupo para identificar três critérios de design de materiais que produziriam texturas de spin úteis:densidade de portador, o número de elétrons que se propagam através de um campo magnético efetivo, Anisotropia de Rashba, a razão entre os parâmetros de acoplamento spin-órbita intrínsecos dos materiais, e ocupação do espaço momentum, a região PST ativa na estrutura de banda eletrônica. Essas características foram avaliadas usando simulações de mecânica quântica para descobrir PSHs de alto desempenho em uma variedade de materiais à base de óxido.

Os pesquisadores usaram esses princípios e soluções numéricas para uma série de equações diferenciais de spin-difusão para avaliar a textura do spin de cada material e prever os tempos de vida do spin para a hélice no forte limite de acoplamento spin-órbita. Eles também descobriram que poderiam ajustar e melhorar o desempenho do PST usando distorções atômicas na escala de pico. O grupo determinou um material PST ideal, Sr3Hf2O7, que mostrou uma vida útil de rotação substancialmente mais longa para a hélice do que em qualquer material relatado anteriormente.

"Nossa abordagem fornece uma estratégia única agnóstica em química para descobrir, identificar, e avaliar texturas de spin persistentes protegidas por simetria em materiais quânticos usando critérios intrínsecos e extrínsecos, "Disse Rondinelli." Propusemos uma forma de expandir o número de grupos espaciais que hospedam um PST, que pode servir como um reservatório a partir do qual projetar futuros materiais de PST, e descobriu ainda outro uso para óxidos ferroelétricos - compostos com polarização elétrica espontânea. Nosso trabalho também ajudará a orientar os esforços experimentais voltados para a implementação dos materiais em estruturas de dispositivos reais. "

Um artigo que descreve o trabalho, intitulado "Princípios e materiais de descoberta para texturas de giro persistentes protegidas por simetria com tempos de vida longos de giro, "foi publicado online em 18 de setembro na revista Matéria .