Pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Oxford fizeram um avanço na criação e projeto de redemoinhos magnéticos em membranas que podem ser perfeitamente integradas ao silício. Estes redemoinhos magnéticos semelhantes a furacões, que se pensa moverem-se a velocidades incríveis de até quilómetros por segundo, poderiam ser usados ​​como portadores de informação numa nova geração de plataformas de computação verdes e super-rápidas.



O estudo, "Estados antiferromagnéticos espacialmente reconfiguráveis ​​em nanomembranas autônomas topologicamente ricas", foi publicado na Nature Materials. .

Tradicionalmente, esses turbilhões indescritíveis só poderiam ser produzidos em materiais que tivessem compatibilidade limitada com o silício, dificultando sua aplicação prática. Este obstáculo foi superado com o desenvolvimento de uma nova forma de camadas magnéticas que podem ser separadas de seus hospedeiros de cristal originais e transferidas para qualquer plataforma desejada – como um wafer de silício.

O trabalho foi liderado pelo Dr. Hariom Jani, do Departamento de Física da Universidade de Oxford, trabalhando no grupo de pesquisa do professor Paolo Radaelli, em colaboração com a Universidade Nacional de Cingapura e a Swiss Light Source.

Jani disse:"A computação baseada em silício é muito ineficiente em termos de energia para a próxima geração de aplicações de computação, como IA em grande escala e dispositivos autônomos. Superar esses desafios exigirá um novo paradigma de computação que utilize fenômenos físicos que sejam rápidos e eficiente para aumentar a tecnologia atual."

"Temos procurado aproveitar os redemoinhos magnéticos em uma classe especial de materiais chamados antiferromagnetos, que são 100 a 1.000 vezes mais rápidos que os dispositivos modernos. O problema até o momento é que esses redemoinhos só podem ser criados em modelos de cristal rígidos que são incompatíveis com tecnologia atual baseada em silício, então nosso objetivo era descobrir uma maneira de traduzir esses redemoinhos exóticos para silício."

“Para conseguir isso, fabricamos membranas cristalinas ultrafinas de hematita (principal componente da ferrugem e, portanto, o antiferromagneto mais abundante) que se estendiam lateralmente em dimensões macroscópicas”, explica o professor Radaelli. "Essas membranas são relativamente novas no mundo dos materiais quânticos cristalinos e combinam características vantajosas de cerâmica 3D e materiais 2D, ao mesmo tempo que são facilmente transferíveis."

A camada de hematita cresceu sobre um molde de cristal revestido com uma “camada sacrificial” especial feita de um componente de cimento. Esta camada sacrificial dissolveu-se em água, separando facilmente a hematita da base cristalina. Finalmente, a membrana independente de hematita foi transferida para silício e várias outras plataformas desejáveis.

O grupo desenvolveu uma nova técnica de imagem usando raios X polarizados linearmente para visualizar os padrões magnéticos em nanoescala dentro dessas membranas. Este método revelou que as camadas independentes são capazes de hospedar uma família robusta de redemoinhos magnéticos. Potencialmente, isso poderia permitir o processamento ultrarrápido de informações.

“Uma de nossas descobertas mais emocionantes foi a extrema flexibilidade de nossas membranas de hematita”, diz o Dr. Jani.

"Ao contrário de suas contrapartes rígidas, semelhantes a cerâmica, que são propensas a quebrar, nossas membranas flexíveis podem ser torcidas, dobradas ou enroladas em vários formatos sem fraturar. Exploramos essa nova flexibilidade para projetar redemoinhos magnéticos em três dimensões, algo que era anteriormente não é possível. No futuro, a forma dessas membranas poderá ser ajustada para realizar redemoinhos completamente novos em circuitos magnéticos 3D."

O grupo está agora trabalhando no desenvolvimento de protótipos de dispositivos que usarão correntes elétricas para excitar a rica dinâmica desses redemoinhos super-rápidos. Dr. Jani conclui:"Eventualmente, esses dispositivos poderão ser integrados em novos tipos de computadores que funcionam mais como o cérebro humano - estamos muito entusiasmados com o que está por vir."

Mais informações: Hariom Jani et al, Estados antiferromagnéticos espacialmente reconfiguráveis ​​em nanomembranas autônomas topologicamente ricas, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01806-2
Fornecido pela Universidade de Oxford