O campo promissor da spintrônica busca manipular o spin do elétron para fazer uma nova geração de dispositivos eletrônicos pequenos e de baixa potência. Um estudo recente usou a fonte avançada de fótons de Argonne para trazer o uso generalizado da spintrônica para mais perto da realidade.

À medida que os computadores e dispositivos eletrônicos ficam cada vez menores, os engenheiros estão desenvolvendo novas tecnologias para permitir que os dispositivos diminuam ainda mais, melhorando o desempenho. Uma nova tecnologia promissora é a spintrônica, que tem o potencial de fazer dispositivos menores e mais rápidos que retêm suas informações quando a energia é desligada. Esta tecnologia emergente pode revolucionar o design de dispositivos eletrônicos, mas ainda há um longo caminho a percorrer antes que a tecnologia se torne dominante.

Para acompanhar o aumento da geração de dados, a capacidade de armazenamento de dados aumentou enquanto os dispositivos eletrônicos continuam a ficar menores e mais poderosos. Contudo, este aumento na geração e armazenamento de dados levou a um aumento associado no consumo de energia. Os data centers usam uma quantidade significativa de eletricidade para seus servidores e sistemas de refrigeração, e esses centros sozinhos respondem por mais de 1% do uso global de energia. Spintrônica tem o potencial de cortar esse consumo de energia, permitindo que os engenheiros continuem a projetar computadores menores e mais rápidos e outros dispositivos eletrônicos.

Em vez de usar a carga do elétron para armazenar informações como 1 e 0, spintrônica usa spin eletrônico para codificar dados. Spin é uma propriedade dos elétrons, apenas como carga. Os elétrons podem ter um estado de spin que é para cima ou para baixo, e em alguns materiais especiais esse estado de rotação pode se mover através do material quando exposto à eletricidade. A capacidade do estado de spin ser transportado é o que permite que o spin seja usado para armazenamento de dados. Este método de manipulação de spin para armazenamento de dados usa muito menos energia porque uma corrente de spin encontra menos resistência que pode levar ao superaquecimento, e a informação não desaparece com a perda de energia.

Pesquisadores que usam a Advanced Photon Source (APS), uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne do DOE, têm estudado maneiras de manipular spins de elétrons e desenvolver novos materiais para a spintrônica. Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada por Chang-Beom Eom, professor de ciência de materiais e engenharia da Universidade de Wisconsin-Madison, publicou um estudo na revista Nature Communications sobre um novo material que tem densidade de armazenamento três vezes maior e usa muito menos energia do que outros dispositivos spintrônicos.

Não existem muitos desses tipos de materiais, especialmente aqueles que trabalham em temperatura ambiente como este. Se o material de Eom pode ser aperfeiçoado, poderia auxiliar na criação de dispositivos eletrônicos mais eficientes com menos tendência a superaquecer. Isso é particularmente importante para o avanço do desenvolvimento da computação de baixo consumo e da memória magnética rápida.

A nova estrutura projetada por Eom é baseada em uma classe incomum de materiais chamados antiperovskitas, que ele usa para manipular o fluxo de informações de spin sem mover as cargas dos elétrons através do material. Para descobrir se funcionou, e para entender melhor a estrutura do material, A equipe de Eom usou difração de raios-X no APS para ver em que ponto a estrutura do material mudou, indicando o surgimento do arranjo necessário de spins eletrônicos.

Eom veio para o APS por causa do poder da linha de luz 6-ID-B, bem como pela experiência dos cientistas que trabalham lá.

"Em uma semana de tempo na APS podemos fazer um mês de trabalho, " ele disse.

Os cientistas da linha de luz da APS fornecem consultoria especializada para pesquisadores que procuram usar os recursos da instalação. Antes do estudo, Os cientistas da linha de luz APS Phil Ryan e Jong-Woo Kim passaram um tempo com Eom, ajudando-o a determinar quando ele teria a estrutura certa à medida que cultivava esses novos materiais em seu laboratório.

"Se eles têm uma questão científica, discutimos isso e juntos projetamos um experimento na APS para responder à pergunta, "disse Kim, um físico da APS colaborando com a equipe de pesquisa de Eom. "Entendemos nossas técnicas e capacidades muito bem, para que possamos contribuir com o design do experimento, ou até mesmo moldar a conversa. "

Para este estudo, Eom usou o APS para observar a estrutura de rede do material no nível atômico enquanto ele esfriava em direção à temperatura ambiente. Usando difração de raios-X, eles mediram o parâmetro de rede - basicamente a distância entre os átomos - e extraíram a separação dos átomos conforme a temperatura do material mudava.

“Este material desenvolve uma ordem magnética um pouco acima da temperatura ambiente, "disse Ryan, outro físico da APS que trabalhou com Eom neste projeto, bem como em muitos outros ao longo dos anos. "Uma vez que os giros do elétron se ordenam, os átomos são empurrados ligeiramente para longe um do outro. Mesmo que não pudéssemos detectar diretamente a estrutura com raios-X, monitoramos e medimos essa mudança estrutural com a temperatura no APS para confirmar o surgimento dessa ordem magnética. "

Esta foi uma das três técnicas utilizadas no estudo para medir o arranjo de spins eletrônicos, e esses dados, em conjunto com outras medidas, ajudou a solidificar e cimentar a validade dos resultados.

"A capacidade de manipular o arranjo de giros eletrônicos, bem como seu movimento através do material, tem enormes possibilidades para dispositivos mais eficientes em termos de energia, "Eom disse." Este é o primeiro passo para demonstrar como fazê-lo. "