Os materiais magnéticos são a espinha dorsal das modernas tecnologias de informação digital, como armazenamento em disco rígido. Uma equipe liderada pela Universidade de Washington deu um passo adiante ao codificar informações usando ímãs com apenas algumas camadas de átomos de espessura. Essa descoberta pode revolucionar as tecnologias de computação em nuvem e eletrônicos de consumo, permitindo o armazenamento de dados em maior densidade e maior eficiência energética.

Em um estudo publicado online em 3 de maio na revista Ciência , os pesquisadores relatam que usaram pilhas de materiais ultrafinos para exercer um controle sem precedentes sobre o fluxo de elétrons com base na direção de seus spins - onde os "spins" do elétron são análogos aos minúsculos, ímãs subatômicos. Os materiais que eles usaram incluem folhas de tri-iodeto de cromo (CrI3), um material descrito em 2017 como o primeiro isolador magnético 2-D. Quatro folhas - cada uma com apenas átomos de espessura - criaram o sistema mais fino que pode bloquear elétrons com base em seus spins enquanto exerce um controle mais de 10 vezes mais forte do que outros métodos.

"Nosso trabalho revela a possibilidade de empurrar o armazenamento de informações com base em tecnologias magnéticas para o limite atomicamente fino, "disse o co-autor principal Tiancheng Song, um aluno de doutorado em física da UW.

Em pesquisas relacionadas, publicado em 23 de abril em Nature Nanotechnology , a equipe encontrou maneiras de controlar eletricamente as propriedades magnéticas deste ímã atomicamente fino.

"Com o crescimento explosivo da informação, o desafio é como aumentar a densidade do armazenamento de dados e, ao mesmo tempo, reduzir a energia de operação, "disse o autor correspondente Xiaodong Xu, um professor de física da UW e de ciência e engenharia de materiais, e pesquisador docente do UW Clean Energy Institute. "A combinação de ambos os trabalhos aponta para a possibilidade de projetar dispositivos de memória magnética atomicamente finos com ordens de magnitude de consumo de energia menores do que o que é atualmente possível."

O novo Ciência O artigo também analisa como esse material poderia permitir um novo tipo de armazenamento de memória que explora os spins do elétron em cada folha individual.

Os pesquisadores imprensaram duas camadas de CrI3 entre folhas condutoras de grafeno. Eles mostraram que, dependendo de como os spins estão alinhados entre cada uma das folhas CrI3, os elétrons podem fluir desimpedidos entre as duas folhas de grafeno ou foram impedidos de fluir. Essas duas configurações diferentes podem atuar como bits - os zeros e uns do código binário na computação cotidiana - para codificar as informações.

"As unidades funcionais deste tipo de memória são junções de túnel magnético, ou MTJ, que são 'portas' magnéticas que podem suprimir ou deixar passar a corrente elétrica, dependendo de como os spins se alinham na junção, "disse o co-autor Xinghan Cai, um pesquisador de pós-doutorado UW em física. "Esse portão é fundamental para a realização desse tipo de armazenamento de dados em pequena escala."

Com até quatro camadas de CrI3, a equipe descobriu o potencial para armazenamento de informações "multibits". Em duas camadas de CrI3, os spins entre cada camada estão alinhados na mesma direção ou em direções opostas, levando a duas taxas diferentes em que os elétrons podem fluir através do portão magnético. Mas com três e quatro camadas, há mais combinações de spins entre cada camada, levando a múltiplos, taxas distintas nas quais os elétrons podem fluir através do material magnético de uma folha de grafeno para a outra.

"Em vez de seu computador ter apenas duas opções para armazenar um dado, pode ter uma escolha A, B, C, mesmo D e além, "disse o co-autor Bevin Huang, um estudante de doutorado em física da UW. "Portanto, não apenas os dispositivos de armazenamento que usam junções CrI3 seriam mais eficientes, mas armazenariam intrinsecamente mais dados. "

Os materiais e a abordagem dos pesquisadores representam uma melhoria significativa em relação às técnicas existentes em condições operacionais semelhantes, usando óxido de magnésio, que é mais grosso, menos eficaz no bloqueio de elétrons e não tem a opção de armazenamento de informações de vários bits.

"Embora nosso dispositivo atual exija campos magnéticos modestos e só funcione em baixas temperaturas, inviável para uso nas tecnologias atuais, o conceito do dispositivo e o princípio operacional são novos e inovadores, "disse Xu." Esperamos que, com o controle elétrico desenvolvido do magnetismo e alguma engenhosidade, essas junções de túnel podem operar com redução ou mesmo sem a necessidade de um campo magnético em alta temperatura, o que pode ser um divisor de águas para novas tecnologias de memória. "