Quando você salva uma imagem em seu smartphone, esses dados são gravados em minúsculos transistores que são ligados ou desligados eletricamente em um padrão de "bits" para representar e codificar essa imagem. A maioria dos transistores hoje são feitos de silício, um elemento que os cientistas conseguiram mudar em escalas cada vez menores, permitindo bilhões de bits, e, portanto, grandes bibliotecas de imagens e outros arquivos, para ser embalado em um único chip de memória.

Mas a crescente demanda por dados, e os meios para armazená-los, está levando os cientistas a pesquisar além do silício por materiais que podem levar dispositivos de memória a densidades mais altas, velocidades, e segurança.

Agora, os físicos do MIT mostraram evidências preliminares de que os dados podem ser armazenados com mais rapidez, mais denso, e bits mais seguros feitos de antiferromagnetos.

Antiferromagnético, ou materiais AFM são os primos menos conhecidos dos ferromagnetos, ou materiais magnéticos convencionais. Onde os elétrons em ferromagnetos giram em sincronia - uma propriedade que permite que uma agulha de bússola aponte para o norte, seguindo coletivamente o campo magnético da Terra - os elétrons em um antiferroímã preferem o spin oposto ao seu vizinho, em um "anti-alinhamento" que extingue efetivamente a magnetização, mesmo em escalas menores.

A ausência de magnetização líquida em um antiferroímã o torna impermeável a qualquer campo magnético externo. Se eles fossem feitos em dispositivos de memória, bits antiferromagnéticos podem proteger quaisquer dados codificados de serem apagados magneticamente. Eles também podem ser transformados em transistores menores e embalados em maior número por chip do que o silício tradicional.

Agora, a equipe do MIT descobriu que, ao dopar elétrons extras em um material antiferromagnético, eles podem ligar e desligar seu arranjo antialinhado coletivo, de uma forma controlável. Eles descobriram que essa transição magnética é reversível, e suficientemente nítido, semelhante a mudar o estado de um transistor de 0 para 1. Os resultados, publicado hoje em Cartas de revisão física , demonstrar um novo caminho potencial para usar antiferromagnetos como um switch digital.

"Uma memória AFM pode permitir o aumento da capacidade de armazenamento de dados dos dispositivos atuais - mesmo volume, mas mais dados, "diz o autor principal do estudo, Riccardo Comin, professor assistente de física no MIT.

Os co-autores do MIT de Comin incluem o autor principal e estudante de pós-graduação Jiarui Li, junto com Zhihai Zhu, Grace Zhang, e Da Zhou; bem como Roberg Green da Universidade de Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sun, e Shriram Ramanathan da Purdue University; Ronny Sutarto e Feizhou He da Canadian Light Source; e Jerzy Sadowski no Laboratório Nacional de Brookhaven.

Memória magnética

Para melhorar o armazenamento de dados, alguns pesquisadores estão olhando para MRAM, ou RAM magnetorresistiva, um tipo de sistema de memória que armazena dados como bits feitos de materiais magnéticos convencionais. Em princípio, um dispositivo MRAM seria padronizado com bilhões de bits magnéticos. Para codificar dados, a direção de um domínio magnético local dentro do dispositivo é invertida, semelhante a mudar um transistor de 0 para 1.

Os sistemas MRAM podem potencialmente ler e gravar dados mais rápido do que os dispositivos baseados em silício e podem funcionar com menos energia. Mas eles também podem ser vulneráveis ​​a campos magnéticos externos.

"O sistema como um todo segue um campo magnético como um girassol segue o sol, e é por isso, se você pegar um dispositivo de armazenamento magnético de dados e colocá-lo em um campo magnético moderado, a informação é completamente apagada, "Comin diz.

Antiferromagnetos, em contraste, não são afetados por campos externos e, portanto, podem ser uma alternativa mais segura aos projetos MRAM. Uma etapa essencial em direção aos bits AFM codificáveis ​​é a capacidade de ligar e desligar o antiferromagnetismo. Os pesquisadores descobriram várias maneiras de fazer isso, principalmente usando corrente elétrica para trocar um material de seu antialinhamento ordenado, a uma desordem aleatória de spins.

"Com essas abordagens, a mudança é muito rápida, "diz Li." Mas a desvantagem é, toda vez que você precisa de uma corrente para ler ou escrever, que requer muita energia por operação. Quando as coisas ficam muito pequenas, a energia e o calor gerados pelas correntes correntes são significativos. "

Distúrbio dopado

Comin e seus colegas se perguntaram se conseguiriam realizar a comutação antiferromagnética de maneira mais eficiente. Em seu novo estudo, eles trabalham com níquelato de neodímio, um óxido antiferromagnético cultivado no laboratório Ramanathan. Este material exibe nanodomínios que consistem em átomos de níquel com um spin oposto ao de seu vizinho, e mantidos juntos por átomos de oxigênio e neodímio. Os pesquisadores já haviam mapeado as propriedades fractais do material.

Desde então, os pesquisadores tentaram ver se poderiam manipular o antiferromagnetismo do material por meio de dopagem - um processo que introduz impurezas intencionalmente em um material para alterar suas propriedades eletrônicas. No caso deles, os pesquisadores doparam óxido de níquel neodímio removendo o material de seus átomos de oxigênio.

Quando um átomo de oxigênio é removido, deixa para trás dois elétrons, que são redistribuídos entre os outros átomos de níquel e oxigênio. Os pesquisadores se perguntaram se a remoção de muitos átomos de oxigênio resultaria em um efeito dominó de desordem que desligaria o anti-alinhamento ordenado do material.

Para testar sua teoria, eles cultivaram filmes de óxido de níquel neodímio com 100 nanômetros de espessura e os colocaram em uma câmara sem oxigênio, em seguida, aqueceu as amostras a temperaturas de 400 graus Celsius para estimular o oxigênio a escapar dos filmes e para a atmosfera da câmara.

À medida que removiam progressivamente mais oxigênio, eles estudaram os filmes usando técnicas avançadas de cristalografia de raios-X magnéticos para determinar se a estrutura magnética do material estava intacta, implicando que seus spins atômicos permaneceram em seu anti-alinhamento ordenado, e, portanto, manteve o antiferomagnetismo. Se seus dados mostrassem falta de uma estrutura magnética ordenada, seria uma evidência de que o antiferromagnetismo do material havia sido desligado, devido ao doping suficiente.

Por meio de seus experimentos, os pesquisadores foram capazes de desligar o antiferromagnetismo do material em um certo limite crítico de dopagem. Eles também podem restaurar o antiferromagnetismo adicionando oxigênio de volta ao material.

Agora que a equipe mostrou que o doping efetivamente liga e desliga o AFM, os cientistas podem usar maneiras mais práticas de dopar materiais semelhantes. Por exemplo, transistores baseados em silício são comutados usando portas "ativadas por voltagem, "onde uma pequena voltagem é aplicada a um bit para alterar sua condutividade elétrica. Comin diz que os bits antiferromagnéticos também podem ser comutados usando portas de voltagem adequadas, que exigiria menos energia do que outras técnicas de comutação antiferromagnética.

"Isso pode representar uma oportunidade para desenvolver um dispositivo de armazenamento de memória magnética que funcione de forma semelhante aos chips baseados em silício, com o benefício adicional de que você pode armazenar informações em domínios AFM que são muito robustos e podem ser compactados em altas densidades, "Comin diz." Essa é a chave para enfrentar os desafios de um mundo movido a dados. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.