Depois de aplicar uma tensão externa, Os íons de lítio fluem através do transistor de redução-oxidação e atingem o filme de magnetita inferior, alterando sua concentração de portadores de carga e modificando a orientação dos spins de Fe. Crédito:Tohru Higuchi, Universidade de Ciência de Tóquio
Nas últimas décadas, a eletrônica convencional está atingindo rapidamente seus limites técnicos em computação e tecnologia da informação, clamando por dispositivos inovadores que vão além da mera manipulação da corrente de elétrons. A respeito disso, spintrônica, o estudo de dispositivos que exploram o "spin" dos elétrons para realizar funções, é uma das áreas mais quentes da física aplicada. Mas, medindo, alterando, e, em geral, trabalhar com essa propriedade quântica fundamental não é tarefa fácil.
Dispositivos spintrônicos atuais - por exemplo, junções de túnel magnético - sofrem de limitações, como alto consumo de energia, baixas temperaturas de operação, e severas restrições na seleção de materiais. Para este fim, uma equipe de cientistas da Universidade de Ciência de Tóquio e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS), Japão, publicou recentemente um estudo em ACS Nano , em que eles apresentam uma estratégia surpreendentemente simples, mas eficiente para manipular o ângulo de magnetização na magnetita (Fe 3 O 4 ), um material ferromagnético típico. A equipe fabricou um transistor de redução-oxidação ("redox") totalmente sólido contendo uma fina película de Fe 3 O 4 em óxido de magnésio e um eletrólito de silicato de lítio dopado com zircônio (Fig. 1). A inserção de íons de lítio no eletrólito sólido tornou possível atingir a rotação do ângulo de magnetização em temperatura ambiente e alterar significativamente a densidade do portador de elétrons. Professor Associado Tohru Higuchi da Universidade de Ciência de Tóquio, um dos autores deste artigo publicado, diz "Ao aplicar uma voltagem para inserir íons de lítio em um eletrólito sólido em um ferromagneto, desenvolvemos um dispositivo spintrônico que pode girar a magnetização com menor consumo de energia do que na rotação de magnetização por injeção de corrente de spin. Esta rotação de magnetização é causada pela mudança do acoplamento spin-órbita devido à injeção de elétrons em um ferromagneto. "
Ao contrário das tentativas anteriores que dependiam do uso de fortes campos magnéticos externos ou da injeção de correntes personalizadas de spin, a nova abordagem aproveita uma reação eletroquímica reversível. Depois de aplicar uma tensão externa, Os íons de lítio migram do eletrodo de óxido de cobalto e lítio superior e através do eletrólito antes de atingir o Fe magnético 3 O 4 camada. Esses íons, então, se inserem na estrutura de magnetita, formando Li x Fe 3 O 4 e causando uma rotação mensurável em seu ângulo de magnetização devido a uma alteração nos portadores de carga.
A mudança no ângulo de magnetização torna-se perceptível sob tensões externas superiores a 0,7 V, produzindo uma mudança reversível de cerca de 10 °. Em tensões superiores a 1,2 V, a rotação é mais pronunciada, mas torna-se irreversível devido a mudanças estruturais permanentes na fase de magnetita. Crédito:Tohru Higuchi, Universidade de Ciência de Tóquio
Este efeito permitiu aos cientistas alterar reversivelmente o ângulo de magnetização em aproximadamente 10 °. Embora uma rotação muito maior de 56 ° tenha sido alcançada aumentando a tensão externa ainda mais, eles descobriram que o ângulo de magnetização não poderia ser totalmente alterado (Fig. 2). "Determinamos que esta rotação do ângulo de magnetização irreversível foi causada por uma mudança na estrutura cristalina da magnetita devido a um excesso de íons de lítio, "explica Higuchi, "Se pudéssemos suprimir tais mudanças estruturais irreversíveis, poderíamos alcançar uma rotação de magnetização consideravelmente maior. "
O novo dispositivo desenvolvido pelos cientistas representa um grande passo no controle da magnetização para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos. Além disso, a estrutura do dispositivo é relativamente simples e fácil de fabricar. Dr. Takashi Tsuchiya, Pesquisador Principal do NIMS, o autor correspondente do estudo diz, "Ao controlar a direção da magnetização à temperatura ambiente devido à inserção de íons de lítio no Fe 3 O 4 , tornamos possível operar com consumo de energia muito menor do que a rotação de magnetização por injeção de corrente de spin. O elemento desenvolvido opera com uma estrutura simples. "
Criação de dispositivos de memória spintrônica de alta densidade com grande capacidade e até mesmo dispositivos neuromórficos que imitam sistemas neurais biológicos. Crédito:Universidade de Ciência de Tóquio
Embora ainda haja mais trabalho a ser feito para tirar o máximo proveito deste novo dispositivo, a ascensão iminente da spintrônica certamente desbloqueará muitos aplicativos novos e poderosos. "No futuro, vamos tentar alcançar uma rotação de 180 ° no ângulo de magnetização, "diz o Dr. Kazuya Terabe, Pesquisador principal do Centro Internacional de Nanoarquitetura de Materiais do NIMS e co-autor do estudo, "Isso nos permitiria criar dispositivos de memória spintrônica de alta densidade com grande capacidade e até mesmo dispositivos neuromórficos que imitam sistemas neurais biológicos." Algumas outras aplicações da spintrônica estão no campo altamente cobiçado da computação quântica.
Só o tempo dirá o que esta tecnologia de ponta nos reserva!
