CIÊNCIA E TECNOLOGIA

Spintrônica - Parte 1

spintronica_topo_1Spintrônica (um neologismo para "eletrônica baseada em spin"), também conhecida como magnetoelectrônica, é uma tecnologia emergente que explora a propensão quântica dos elétrons de girar (spin em inglês) assim como fazer uso do estado de suas cargas. O spin por si só é manifestado como um estado de energia magnético fracamente detectável caracterizado com "spin para cima" e "spin para baixo".

O uso convencional do estado eletrônico em semicondutores possui razões puramente binárias, onde o estado ou fluxo do elétron representa apenas 0 ou 1, e a faixa de oito bits pode representar um número entre 0 e 255, mas apenas um número de cada vez. Bits quânticos spintrônicos (conhecidos como qubits) exploram o estado "spin para cima" e "spin para baixo" como superposições de 0 ou 1 intrinsicamente, então, um registrador de dois qubits spintrônicos poderia ter oito estados possíveis ao invés de quatro.

Aplicações

Graças à Spintrônica foi possível reduzir por exemplo o tamanho dos discos rígidos, porém aumentando a capacidade de armazenamento.

A Spintrônica também está presente nas novas memórias de computador, chamadas de memórias RAM Random Access Memory - Memória de acesso aleatório. Há alguns anos estão sendo estas novas memórias vem desenvolvidas sob o nome de MRAM Magnetoresistive Random Access Memory. O propósito desta nova memória é armazenar dados que seriam perdidos caso o computador fosse desligado. O usuário então poderia religar o computador e continuar digitando o documento texto específico que ele estava trabalhando.

Pesquisadores acreditam que além do armazenamento de dados, a Spintrônica pode ser aplicada aos semicondutores, criação de processadores para computadores quânticos, entre outros.


Tecnologia Revolucionária


2007 - A spintrônica pode revolucionar os discos rígidos, memórias e processadores. Saiba mais sobre essa tendência. Não é novidade para nenhum observador do mercado de chips que está cada dia mais difícil acompanhar a chamada Lei de Moore, que há 30 anos sentenciou que o número de transistores em um processador dobraria a cada 18 meses. A cada nova geração de chips, os fabricantes desafiam as leis da Física.

Está cada vez mais difícil avançar no aumento de poder de processamento e na miniaturização dos componentes, driblando problemas de aquecimento e consumo de energia. Uma das áreas que podem trazer respostas a esses desafios é a chamada spintrônica, ciência que vem sendo desbravada por pesquisadores de todo mundo, inclusive do Brasil.

Enquanto a eletrônica clássica se preocupa com a carga dos elétrons, a spintrônica estuda o seu movimento de rotação, chamado spin (giro, inglês). Os elétrons podem rodar em diferentes sentidos - representados por setas para baixo ou para cima. Esse movimento gera uma espécie de campo magnético ao redor do elétron.

Esta é a razão pela qual uma das primeiras áreas da computação a se beneficiar da spintrônica foi a de armazenamento de dados, fortemente ancorada no magnetismo. Em 1988, dois times de pesquisas independentes - um liderado por Peter Grünberg no Jülich Research Centre, e outro por Albert Fert na Universidade de Paris-Sud - fizeram a descoberta que é considerada o marco de nascimento da spintrônica: a magnetoresistência gigante (GMR, do inglês Giant Magnetoresistance).

Em linhas gerais, os cientistas descobriram que manipulando os sentidos dos elétrons para alinhar os campos magnéticos - por meio de sanduíches de camadas de ferromagnéticas isoladas por uma camada não-magnética no meio -, era possível reduzir a resistência entre as camadas, reduzindo também o espaço entre elas.

Essa descoberta foi empregada nos leitores dos discos rígidos, possibilitando aumentar a capacidade dos dispositivos de armazenamento e ao mesmo tempo reduzir o seu tamanho. Portanto, o termo spintrônica pode soar estranho, mas ela provavelmente está em pleno funcionamento em um computador próximo a você.

A spintrônica também é a base das memórias MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), que ainda não chegaram ao mercado, mas estão em pesquisa há alguns anos. Elas serão capazes de congelar as atividades em andamento em um computador quando ele é desligado e recuperá-las quando ele é religado - ao contrário das memórias RAM atuais, que perdem os dados armazenados toda vez que o computador é desligado e por isso precisam passá-los para o HD e recuperá-los a cada reinicialização.

Isso significa que, com o auxílio da spintrônica, não precisaríamos mais ficar olhando para a tela preta, esperando o computador iniciar. “Seria como ligar uma TV”, explica o professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, Valmir A. Chitta.

Mas a spintrônica não se limita apenas ao armazenamento de dados. Os pesquisadores apostam na manipulação da rotação dos elétrons para resolver os problemas de miniaturização, aumento de desempenho e redução de gasto de energia dos processadores.

Os chips atuais são constituídos de transistores, que funcionam como canais por onde fluem correntes de elétrons. A interrupção e a liberação deste fluxo é o que determina a lógica de funcionamento do chip, portanto pouco importa qual é o spin dos elétrons. Porém, os pesquisadores acreditam que manipulando o sentido de rotação dos elétrons que fluem dentro dos transistores será possível torná-los mais rápidos, reduzindo o consumo de energia.

“A energia necessária para alinhar o spin dos elétrons é muito menor do que a necessária para interromper o fluxo da corrente”, explica Chitta. Segundo o professor, o desafio para o desenvolvimento deste tipo de transistor está nos problemas de casamento dos materiais ferromagnéticos - fundamentais para o alinhamento do spin dos elétrons - com os semicondutores, base dos processadores atuais. “Há experiências bem-sucedidas, mas elas só funcionam a temperatura baixíssimas, o que inviabiliza comercialmente a tecnologia”, explica.

Além do armazenamento de dados e dos semicondutores, outra área deve se beneficiar dos princípios da spintrônica é a computação quântica, que poderá trazer a um único chip a capacidade de processar operações paralelas por meio do uso de qubits (ou bits quânticos), capazes de assumir valor 1 e 0 ao mesmo tempo (na computação clássica, um bit só pode ser 1 ou 0). A propriedade de spin dos elétrons pode fazer com que eles funcionem como qubits, mas este ainda é um território que está sendo desvendado pelos pesquisadores, segundo Chitta.

As pesquisas relacionadas à spintrônica no Brasil exploram todas essas possibilidades, de acordo com o professor. Alguns resultados já começam a aparecer. Recentemente, um aluno do terceiro ano do curso de engenharia eletrônica do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em São José dos Campos (SP), foi o único estudante de graduação a receber um dos cinco prêmios distribuídos durante a 1ª Conferência Internacional de Materiais e Tecnologias Spintrônicos, realizada na Inglaterra.

Ronaldo Rodrigues Pelá, estagiário do Laboratório de Guerra Eletrônica do ITA concorreu com mais de cem alunos de graduação e pós-graduação de outros países, e levou o prêmio com o trabalho “Modelando um transistor spintrônico”.


Spintrônica totalmente elétrica é demonstrada pela primeira vez


Novembro 2009 - Pesquisadores norte-americanos descobriram uma forma de controlar a orientação do spin de um elétron usando meios puramente elétricos.

A descoberta representa um grande impulso para a área da eletrônica do spin - ou spintrônica - a abordagem mais promissora quando se trata de superar o paradigma da eletrônica atual, baseada na tecnologia CMOS.

 

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Carga versus spin


Desde a invenção do transístor, a eletrônica se fundamenta no controle do movimento da carga dos elétrons.

Mas os cientistas já perceberam que é possível criar transistores que funcionem por meio do controle do spin do elétron, em vez da sua carga, o que poderá levar à criação de processadores que consumam menos energia, aqueçam-se menos e sejam muito mais rápidos.

Até agora, os pesquisadores vêm tentando desenvolver transistores de spin por meio da incorporação de materiais ferromagnéticos. "Isso tem resultado em projetos significativamente mais complexos, principalmente com a necessidade contínua de fabricar transistores cada vez menores," explica Philippe Debray, da Universidade de Cincinnati, nos Estados Unidos.

"Uma abordagem muito melhor e mais prática é manipular a orientação do spin dos elétrons usando mecanismos puramente elétricos, como ligar e desligar uma tensão," diz Debray, ressaltando a importância da descoberta da qual ele é um dos autores.


Controle elétrico do spin


De fato, uma spintrônica sem ferromagnetismo, uma spintrônica totalmente elétrica, poderá ser o elo que faltava para o surgimento de uma geração futura de computadores e sistemas eletrônicos que poderão continuar avançando sem depender unicamente da diminuição das dimensões dos transistores.

"Nós usamos um pequeno fio quântico - tecnicamente um ponto de contato quântico - fabricado com o semicondutor arseneto de índio, para gerar uma corrente fortemente spin-polarizada," explica Debray.

A corrente elétrica formada pelos elétrons com spin controlado é gerada de forma contínua ajustando o potencial de confinamento do fio quântico por meio do controle da tensão aplicada às suas extremidades.

"A condição-chave para o sucesso do experimento é que o potencial de confinamento do fio deve ser assimétrico - os limites opostos do ponto de contato quântico devem ser assimétricos," explica Debray.

"Conseguimos isto ajustando as tensões nas portas do dispositivo. Graças aos efeitos relativísticos, a assimetria permite que os elétrons interajam por meio do acoplamento das órbitas do spin e se tornem polarizados. O acoplamento aciona a polarização do spin e a interação de Coulomb elétron-elétron a reforça," diz o pesquisador.


Mais quentes


A demonstração prática do controle puramente elétrico do spin dos elétrons, criando correntes spin-polarizadas, representa um dos passos mais importantes na pesquisa recente no campo da spintrônica, embora tenha sido obtida em condições de laboratório ainda distantes de uma aplicação prática.

O próximo passo experimental será obter os mesmos resultados a temperaturas mais altas e utilizando semicondutores diferentes, como o arseneto de gálio.

 

Spintrônica: chips que usam propriedades quânticas estão a caminho

 

Dezembro 2009 - Pesquisadores holandeses conseguiram transferir informações magnéticas diretamente para um semicondutor e, pela primeira vez, eles fizeram isto a temperatura ambiente.

Esta comunicação representa a unificação entre as funções de armazenamento - uma função tipicamente magnética nos computadores atuais - e de cálculo - uma função desempenhada pelos semicondutores.

Vários outros pesquisadores já haviam demonstrado a possibilidade dessa união entre magnético e semicondutor, mas os experimentos vinham sendo feitos em temperaturas muito baixas ou em materiais mais exóticos - veja, por exemplo Átomos artificiais unem eletricidade e magnetismo em memória revolucionária e Semicondutores magnéticos permitirão chips que calculam e armazenam dados.

 

 

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Novo paradigma da computação


A demonstração da troca direta de informações entre materiais magnéticos e semicondutores, especificamente para o silício, é um passo histórico no desenvolvimento de um novo paradigma para a eletrônica e para a computação.

O feito representa uma espécie de elo perdido que vem unir as duas áreas fundamentais da computação e poderá abrir caminho para uma nova forma de eletrônica, a chamada spintrônica.

Entre algumas das vantagens da spintrônica, além da miniaturização, estão o reduzidíssimo consumo de energia e a capacidade de reter as informações na ausência de alimentação, uma vez que o material semicondutor estará magnetizado.


Chips quânticos


Ao contrário da eletrônica atual, que explora a carga do elétron e seu movimento, a spintrônica utiliza uma propriedade quântica do elétron chamada spin, uma espécie de "rotação" que faz com que um spin assuma duas posições.

Os termos "para cima" ou "para baixo" são convenções usadas para representar a "posição" do spin, o que significa que ele pode ser usado para armazenar um bit de informação, assumindo um valor que pode ser 0 ou 1. Fazer um spin passar de 0 para 1 e vice-versa requer pouquíssima energia, muito menos do que o fluxo de elétrons usado nos computadores atuais.

O grande desafio é transferir o dado - o 0 ou o 1 do spin - para o semicondutor, o material com que são feitos os processadores, para que esse dado possa ser usado nos cálculos computacionais.


Comunicação entre materiais magnéticos e semicondutores


No experimento agora feito na Universidade de Twente, Ron Jansen e seus colegas fabricaram um sanduíche formado por uma película finíssima - menos de 1 nanômetro de espessura - de óxido de alumínio colocada entre um material magnético e um material semicondutor.

A espessura das películas de cada um dos materiais, que contêm algumas poucas camadas de átomos, é crucial para o funcionamento do dispositivo.

O material magnético tem a propriedade do magnetismo porque a maioria dos seus elétrons têm os spins apontando na mesma direção. Ao aplicar uma tensão ao longo da interface de óxido de alumínio, os pesquisadores demonstraram que é possível transferir esses elétrons com spins conhecidos para o semicondutor.

O dispositivo permitiu confirmar que os elétrons mantêm sua polarização por um tempo suficiente para fluírem vários nanômetros ao longo do semicondutor, o que é mais do que o suficiente para seu uso em circuitos spintrônicos.

O efeito prático é a criação de uma magnetização no semicondutor, com uma orientação e uma magnitude totalmente controláveis por meio da tensão aplicada.

O próximo passo da pesquisa será fabricar os primeiros componentes spintrônicos, capazes de utilizar e manipular as informações disponíveis nos spins transferidos para o semicondutor.

PARTE 2