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A ilustração mostra como os íons de hidrogênio (pontos vermelhos), controlados por uma voltagem elétrica, migram através de um material intermediário para alterar as propriedades magnéticas de uma camada magnética adjacente (mostrada em verde). Imagem: cortesia dos pesquisadores, editada pelo MIT News
Uma nova abordagem para controlar o magnetismo em um microchip poderia abrir as portas para memória, computação e dispositivos sensores que consomem drasticamente menos energia do que as versões existentes. A abordagem também poderia superar algumas das limitações físicas inerentes que têm retardado o progresso nesta área até agora.
Pesquisadores em MIT e no Laboratório Nacional de Brookhaven demonstraram que podem controlar as propriedades magnéticas de um material de película fina simplesmente aplicando uma pequena voltagem. As mudanças na orientação magnética feitas desta forma permanecem em seu novo estado sem a necessidade de qualquer energia contínua, ao contrário dos chips de memória padrão atuais, descobriu a equipe.
A nova descoberta está sendo relatada hoje na revista Nature Materials, em um artigo de Geoffrey Beach, professor de ciência e engenharia de materiais e codiretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT; o estudante de pós-graduação Aik Jun Tan; e outros oito no MIT e Brookhaven.
Médicos giratórios
À medida que os microchips de silício se aproximam dos limites físicos fundamentais que poderiam limitar a sua capacidade de continuar a aumentar as suas capacidades e, ao mesmo tempo, diminuir o seu consumo de energia, os investigadores têm explorado uma variedade de novas tecnologias que podem contornar esses limites. Uma das alternativas promissoras é uma abordagem chamada spintrônica, que utiliza uma propriedade dos elétrons chamada spin, em vez de sua carga elétrica.
Como os dispositivos spintrônicos podem reter suas propriedades magnéticas sem a necessidade de energia constante, exigida pelos chips de memória de silício, eles precisam de muito menos energia para operar. Eles também geram muito menos calor – outro fator limitante importante para os dispositivos atuais.
Mas a tecnologia spintrônica sofre de suas próprias limitações. Um dos maiores ingredientes que faltavam era uma maneira de controlar eletricamente as propriedades magnéticas de um material de maneira fácil e rápida, aplicando uma voltagem. Muitos grupos de pesquisa em todo o mundo têm perseguido esse desafio.
Tentativas anteriores basearam-se na acumulação de electrões na interface entre um íman metálico e um isolador, utilizando uma estrutura de dispositivo semelhante a um condensador. A carga elétrica pode alterar as propriedades magnéticas do material, mas apenas em uma quantidade muito pequena, tornando-o impraticável para uso em dispositivos reais. Também houve tentativas de usar íons em vez de elétrons para alterar as propriedades magnéticas. Por exemplo, íons de oxigênio têm sido usados para oxidar uma fina camada de material magnético, causando uma mudança extremamente grande nas propriedades magnéticas. No entanto, a inserção e remoção de íons de oxigênio faz com que o material inche e encolha, causando danos mecânicos que limitam o processo a apenas algumas repetições – tornando-o essencialmente inútil para dispositivos computacionais.
A nova descoberta demonstra uma maneira de contornar isso, usando íons de hidrogênio em vez dos íons de oxigênio, muito maiores, usados em tentativas anteriores. Como os íons de hidrogênio podem entrar e sair facilmente, o novo sistema é muito mais rápido e oferece outras vantagens significativas, dizem os pesquisadores.
Como os íons de hidrogênio são muito menores, eles podem entrar e sair da estrutura cristalina do dispositivo spintrônico, mudando a cada vez sua orientação magnética, sem danificar o material. Na verdade, a equipe demonstrou agora que o processo não produz degradação do material após mais de 2.000 ciclos. E, ao contrário dos iões de oxigénio, o hidrogénio pode passar facilmente através de camadas metálicas, o que permite à equipa controlar as propriedades das camadas profundas de um dispositivo que não poderiam ser controladas de outra forma.
“Quando você bombeia hidrogênio em direção ao ímã, a magnetização gira”, diz Tan. “Você pode realmente alternar a direção da magnetização em 90 graus aplicando uma voltagem – e é totalmente reversível.” Como a orientação dos pólos do ímã é a usada para armazenar informações, isso significa que é possível escrever e apagar facilmente “bits” de dados em dispositivos spintrônicos usando este efeito.
Beach, cujo laboratório descobriu o processo original para controlar o magnetismo através de iões de oxigénio há vários anos, diz que a descoberta inicial desencadeou uma investigação generalizada numa nova área chamada “iónica magnética”, e agora esta mais recente descoberta “virou todo este campo de cabeça para baixo. ”
“Este é realmente um avanço significativo”, diz Chris Leighton, ilustre professor da Universidade McKnight no Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota, que não esteve envolvido neste trabalho. “Atualmente existe um grande interesse mundial no controle de materiais magnéticos simplesmente pela aplicação de tensões elétricas. Não é apenas interessante do lado fundamental, mas também é um potencial divisor de águas para aplicações onde materiais magnéticos são usados para armazenar e processar informações digitais.”
Leighton diz: “Usar a inserção de hidrogênio para controlar o magnetismo não é novidade, mas ser capaz de fazer isso de forma orientada por voltagem, em um dispositivo de estado sólido, com bom impacto nas propriedades magnéticas – isso é bastante significativo!” Ele acrescenta: “isto é algo novo, com potencial para abrir novas áreas de pesquisa adicionais. … No final das contas, controlar qualquer tipo de função material literalmente apertando um botão é muito emocionante. Ser capaz de fazer isso com rapidez suficiente, em ciclos suficientes, de uma forma geral, seria um avanço fantástico para a ciência e a engenharia.”
Essencialmente, explica Beach, ele e sua equipe estão “tentando fazer um análogo magnético de um transistor”, que pode ser ligado e desligado repetidamente sem degradar suas propriedades físicas.
Apenas adicione água
A descoberta aconteceu, em parte, por acaso. Ao fazer experiências com materiais magnéticos em camadas em busca de maneiras de alterar seu comportamento magnético, Tan descobriu que os resultados de seus experimentos variavam muito de um dia para o outro por razões que não eram aparentes. Eventualmente, ao examinar todas as condições durante os diferentes testes, ele percebeu que a principal diferença era a umidade do ar: o experimento funcionou melhor em dias úmidos do que em dias secos. A razão, ele finalmente percebeu, era que as moléculas de água do ar estavam sendo divididas em oxigênio e hidrogênio na superfície carregada do material, e enquanto o oxigênio escapava para o ar, o hidrogênio tornava-se ionizado e penetrava no dispositivo magnético. – e mudando seu magnetismo.
O dispositivo que a equipe produziu consiste em um sanduíche de várias camadas finas, incluindo uma camada de cobalto onde ocorrem as mudanças magnéticas, imprensada entre camadas de um metal como paládio ou platina, e com uma camada de óxido de gadolínio, e depois um camada de ouro para conectar à tensão elétrica motriz.
O magnetismo é comutado com apenas uma breve aplicação de tensão e depois permanece no mesmo lugar. Revertê-lo não requer nenhuma energia, apenas um curto-circuito no dispositivo para conectar eletricamente seus dois lados, enquanto um chip de memória convencional requer energia constante para manter seu estado. “Como você está apenas aplicando um pulso, o consumo de energia pode diminuir bastante”, diz Beach.
Os novos dispositivos, com o seu baixo consumo de energia e alta velocidade de comutação, poderão eventualmente ser especialmente úteis para dispositivos como a computação móvel, diz Beach, mas o trabalho ainda está numa fase inicial e exigirá mais desenvolvimento.
“Posso ver protótipos baseados em laboratório dentro de alguns anos ou menos”, diz ele. Fazer uma célula de memória de trabalho completa é “bastante complexo” e pode levar mais tempo, diz ele.
O trabalho foi apoiado pela National Science Foundation por meio do Programa do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais (MRSEC).
Referência: “Controle magneto-iônico do magnetismo usando uma bomba de prótons de estado sólido” por Aik Jun Tan, Mantao Huang, Can Onur Avci, Felix Büttner, Maxwell Mann, Wen Hu, Claudio Mazzoli, Stuart Wilkins, Harry L. Tuller e Geoffrey Praia SD, 12 de novembro de 2018, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-018-0211-5