Memórias e processadores experimentais de computador construídos a partir de materiais magnéticos usam muito menos energia do que os dispositivos tradicionais baseados em silício. Materiais magnéticos bidimensionais, compostos de camadas com apenas alguns átomos de espessura, têm propriedades incríveis que podem permitir que dispositivos magnéticos alcancem velocidade, eficiência e escalabilidade sem precedentes.



Embora muitos obstáculos devam ser superados até que esses chamados materiais magnéticos de van der Waals possam ser integrados em computadores funcionais, os pesquisadores do MIT deram um passo importante nessa direção ao demonstrar o controle preciso de um ímã de van der Waals à temperatura ambiente.

Isto é fundamental, uma vez que os ímãs compostos de materiais van der Waals atomicamente finos normalmente só podem ser controlados em temperaturas extremamente baixas, tornando-os difíceis de serem implantados fora de um laboratório.

Os pesquisadores usaram pulsos de corrente elétrica para mudar a direção da magnetização do dispositivo à temperatura ambiente. A comutação magnética pode ser usada em computação, da mesma forma que um transistor alterna entre aberto e fechado para representar 0s e 1s em código binário, ou na memória do computador, onde a comutação permite o armazenamento de dados. A pesquisa foi publicada na Nature Communications .

A equipe disparou rajadas de elétrons contra um ímã feito de um novo material que pode sustentar seu magnetismo em temperaturas mais altas. O experimento aproveitou uma propriedade fundamental dos elétrons conhecida como spin, que faz com que os elétrons se comportem como minúsculos ímãs. Ao manipular o spin dos elétrons que atingem o dispositivo, os pesquisadores podem mudar sua magnetização.

"O dispositivo de heteroestrutura que desenvolvemos requer uma corrente elétrica de ordem de magnitude menor para comutar o ímã de van der Waals, em comparação com a necessária para dispositivos magnéticos em massa", diz Deblina Sarkar, professora assistente de desenvolvimento de carreira da AT&T no MIT Media Lab and Center para Engenharia Neurobiológica, chefe do Nano-Cybernetic Biotrek Lab e autor sênior de um artigo sobre esta técnica. "Nosso dispositivo também é mais eficiente em termos energéticos do que outros ímãs de van der Waals que não conseguem mudar à temperatura ambiente."

No futuro, esse ímã poderá ser usado para construir computadores mais rápidos que consumam menos eletricidade. Também poderia permitir memórias magnéticas de computador que não sejam voláteis, o que significa que não vazam informações quando desligadas, ou processadores que tornam algoritmos complexos de IA mais eficientes em termos de energia.

"Há muita inércia em torno de tentar melhorar materiais que funcionaram bem no passado. Mas mostramos que se você fizer mudanças radicais, começando por repensar os materiais que está usando, poderá obter soluções muito melhores", diz Shivam. Kajale, estudante de pós-graduação no laboratório de Sarkar e co-autor principal do artigo.

Uma vantagem atomicamente pequena

Métodos para fabricar pequenos chips de computador em uma sala limpa a partir de materiais a granel como o silício podem prejudicar os dispositivos. Por exemplo, as camadas de material podem ter apenas 1 nanômetro de espessura, de modo que minúsculos pontos ásperos na superfície podem ser graves o suficiente para degradar o desempenho.

Por outro lado, os materiais magnéticos de van der Waals são intrinsecamente dispostos em camadas e estruturados de tal forma que a superfície permanece perfeitamente lisa, mesmo quando os pesquisadores retiram as camadas para fazer dispositivos mais finos. Além disso, os átomos de uma camada não vazam para outras camadas, permitindo que os materiais retenham suas propriedades únicas quando empilhados em dispositivos.

“Em termos de dimensionamento e de tornar esses dispositivos magnéticos competitivos para aplicações comerciais, os materiais van der Waals são o caminho a seguir”, diz Kajale.

Mas há um problema. Esta nova classe de materiais magnéticos normalmente só funciona em temperaturas abaixo de 60 Kelvin (-351 graus Fahrenheit). Para construir um processador ou memória magnética de computador, os pesquisadores precisam usar corrente elétrica para operar o ímã em temperatura ambiente.

Para conseguir isso, a equipe se concentrou em um material emergente chamado telureto de ferro e gálio. Este material atomicamente fino tem todas as propriedades necessárias para um magnetismo eficaz à temperatura ambiente e não contém elementos de terras raras, que são indesejáveis ​​porque extraí-los é especialmente destrutivo para o meio ambiente.

Nguyen cultivou cuidadosamente cristais volumosos deste material 2D usando uma técnica especial. Então, Kajale fabricou um dispositivo magnético de duas camadas usando flocos em nanoescala de telureto de ferro e gálio sob uma camada de platina de seis nanômetros.

Pequeno dispositivo em mãos, eles usaram uma propriedade intrínseca dos elétrons conhecida como spin para mudar sua magnetização à temperatura ambiente.

Ping-pong eletrônico

Embora os elétrons não “girem” tecnicamente como um pião, eles possuem o mesmo tipo de momento angular. Esse giro tem uma direção, para cima ou para baixo. Os pesquisadores podem aproveitar uma propriedade conhecida como acoplamento spin-órbita para controlar os spins dos elétrons que eles disparam no ímã.

Da mesma forma que o momento de rotação é transferido quando uma bola atinge outra, os elétrons transferirão seu “momento de rotação” para o material magnético 2D quando o atingirem. Dependendo da direção dos seus spins, essa transferência de momento pode reverter a magnetização.

De certa forma, esta transferência gira a magnetização de cima para baixo (ou vice-versa), por isso é chamada de “torque”, como na comutação de torque spin-órbita. A aplicação de um pulso elétrico negativo faz com que a magnetização diminua, enquanto um pulso positivo faz com que ela suba.

Os pesquisadores podem fazer essa comutação à temperatura ambiente por dois motivos:as propriedades especiais do telureto de ferro e gálio e o fato de sua técnica utilizar pequenas quantidades de corrente elétrica. Bombear muita corrente no dispositivo causaria superaquecimento e desmagnetização.

A equipe enfrentou muitos desafios ao longo dos dois anos que levou para atingir esse marco, diz Kajale. Encontrar o material magnético certo foi apenas metade da batalha. Como o telureto de ferro e gálio oxida rapidamente, a fabricação deve ser feita dentro de um porta-luvas cheio de nitrogênio.

“O aparelho fica exposto ao ar apenas por 10 ou 15 segundos, mas mesmo depois disso tenho que fazer uma etapa de polimento para retirar qualquer óxido”, diz.

Agora que demonstraram a comutação à temperatura ambiente e maior eficiência energética, os pesquisadores planejam continuar aprimorando o desempenho dos materiais magnéticos de van der Waals.

"Nosso próximo marco é conseguir a comutação sem a necessidade de campos magnéticos externos. Nosso objetivo é aprimorar nossa tecnologia e ampliar para levar a versatilidade do ímã de van der Waals para aplicações comerciais", diz Sarkar.

Mais informações: Shivam N. Kajale et al, Comutação induzida por corrente de um ferromagneto van der Waals em temperatura ambiente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45586-4
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

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