Pesquisadores fazem progressos em “Spintronics” (Spin Electronics)

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As pesquisas em spintrônica (eletrônica de rotação) têm aumentado na última década. De acordo com um relatório de previsão 2020-2025 sobre spintrônica da Mordor Intelligence, a participação de mercado comandada pela tecnologia deve crescer de US $ 3,62 bilhões (em 2019) para US $ 26 bilhões nos próximos cinco anos.

Spintronics é o spin intrínseco de um elétron em seu momento magnético associado ou a força e orientação magnéticas de um objeto que produz um campo magnético além de sua carga elétrica.

Pesquisadores da Universidade de Utah explicam: “Se você já fez o antigo experimento científico de transformar uma unha em um ímã arrastando repetidamente um ímã ao longo de seu comprimento, então você já se interessou por spintrônica. O ímã transfere informações para o unha.”

Os cientistas exploraram esse novo campo da física aplicada para avançar a eletrônica em dispositivos de estado sólido usando o spin de um elétron para transportar informações em vez de sua carga.

Os fabricantes de eletrônicos já aplicaram a spintrônica de uma forma ou de outra para produzir cabeças de leitura em discos rígidos magnéticos, MRAM (memória de acesso aleatório magnetoresistiva) e sensores magnéticos. A Spintronics oferece maior velocidade de processamento de dados, menor consumo de energia e maiores densidades em relação aos atuais dispositivos semicondutores.

Nos últimos anos, os cientistas aumentaram suas pesquisas nesse ramo relativamente novo da física para fazer descobertas usando novos materiais, estados de rotação estáveis ​​e novos dispositivos, incluindo um novo tipo de LED e válvula de rotação.

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Novo material para spintrônica antiferromagnética e tecnologia quântica

Pesquisadores da Technische Universitat Dresden e outras instituições acadêmicas descobriram um novo material que afirmam ter potencial para aplicações em spintrônica antiferromagnética e tecnologias quânticas.

O material, conhecido como telureto de manganês-bismuto (MnBi2Te4), possui um par de propriedades que favorecem a spintrônica, incluindo magnetismo e supercondutividade, tornando-o um ótimo material para processamento de informações, computação, sensores e muito mais.

MnBi2Te4

Os pesquisadores da TU Dresden descobrem um novo material que mostra promessas para spintrônica antiferromagnética e tecnologias quânticas. Imagem usada cortesia de Technische Universitat Dresden

Como os materiais quânticos geralmente requerem condições específicas, como baixas temperaturas, campos magnéticos fortes e altas pressões, os cientistas pesquisam continuamente outros métodos de produção desses materiais sem requisitos rígidos.

Como resultado, os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica de cultivo de cristais para produzir o primeiro material topológico intrinsecamente magnético (MTI), que oferece quase partículas e fenômenos quânticos no material.

O novo cristal MnBi2Te4 MTI apresenta um estado de borda em sua superfície que pode obter uma condutividade Hall quantizada sem a necessidade de um forte campo magnético externo. Isso o torna um material útil tanto para spintrônicos antiferromagnéticos quanto para ferromagnetos bidimensionais.

Os pesquisadores já criaram um protocolo de síntese otimizado que facilita a produção do material e descobriram que existem mais derivados estruturais para empurrar MTIs, aumentando seu potencial de aplicação.

Spintronics molecular abre caminho para miniaturização

Enquanto alguns cientistas fizeram avanços em novos materiais para aplicações spintrônicas, outros fizeram progressos na estabilidade da spintrônica ao obter o controle dos estados de rotação das moléculas individuais.

Químicos e físicos da Universidade de Kiel projetaram, depositaram e operaram interruptores de centrifugação molecular únicos em superfícies, permitindo estados de centrifugação estáveis ​​que não perdem sua funcionalidade quando absorvidos pelas referidas superfícies. Os pesquisadores afirmam que as novas moléculas permanecem estáveis ​​por pelo menos vários dias, o que é inédito no campo da spintrônica.

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O segredo está em um truque de design que se assemelha a flip-flops (0s e 1s) nos circuitos eletrônicos encontrados nas CPUs, o que é realizado através do loop do sinal de saída na entrada.

Cooperação intermolecular

Cooperação intermolecular. Químicos da Universidade de Kiel projetaram novas moléculas que operam interruptores de spin moleculares únicos em superfícies, o que aumenta sua estabilidade e avança o objetivo de miniaturizar os spintrônicos. Imagem (modificada) usada cortesia da Universidade de Kiel

As novas moléculas apresentam três propriedades que estão ligadas uma à outra nesse loop de realimentação, incluindo sua forma (plana ou plana), a proximidade de duas subunidades (coordenação, sim ou não) e seu estado de rotação (giro alto / baixo) girar).

Isso permite que as moléculas sejam bloqueadas em qualquer estado; Quando depositados em uma superfície prateada, os comutadores se organizam em matrizes altamente ordenadas.

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Cada molécula na matriz pode ser endereçada separadamente usando um microscópio de varredura por tunelamento e alternada entre estados usando tensão positiva ou negativa. O novo interruptor de rotação em uma única molécula pode substituir os transistores e resistores encontrados nos componentes eletrônicos atuais, o que o torna um passo gigantesco na miniaturização de spintrônicos.

Um “mineral milagroso” para dispositivos spintrônicos

Os materiais desempenham um papel importante no desenvolvimento de dispositivos spintrônicos e, embora alguns cientistas tenham feito grandes progressos na produção de novos materiais para aplicações de spin, outros inovaram dispositivos eletrônicos usando substâncias descobertas há mais de um século.

Os perovskitas (nomeados em homenagem ao mineralogista russo L.A. Perovski que descobriram o material em 1839) são classificados como qualquer material que apresenta a mesma composição cristalina do óxido de cálcio e titânio.

Enquanto a perovskita existe há séculos, seu valor só se tornou proeminente nos últimos dez anos, pois as empresas usaram sua estrutura cristalina para fabricar painéis solares com eficiência energética.

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Pesquisadores da Universidade de Utah projetaram um par de dispositivos spintrônicos que usam uma classe de perovskita conhecida como híbrido orgânico-inorgânico, que oferece um grande acoplamento de rotação em órbita.

Os primeiros dispositivos são um LED verde baseado em spintronic, que funciona da mesma maneira que um LED tradicional que usa elétrons e diodos para emitir luz. Somente a versão spintrônica apresenta um eletrodo magnético e orifícios de elétrons polarizados para receber elétrons com uma determinada rotação.

Comprimentos de onda da luz emitida pelo LED spintronic

Comprimentos de onda da luz emitida pelo LED spintronic. Pesquisadores da Universidade de Utah criaram dois dispositivos spintrônicos usando um material de perovskita, incluindo um LED e uma válvula de rotação. Imagem usada cortesia da Universidade de Utah

O LED acende com eletroluminescência no comprimento de onda verde do espectro de cores, o que prova que o eletrodo magnético transferiu com sucesso elétrons polarizados por rotação através do material de perovskita.

O segundo dispositivo que os pesquisadores criaram é conhecido como válvula de rotação, que usa um campo magnético externo para inverter os materiais magnéticos na válvula entre um estado aberto de baixa resistência e um estado fechado de alta resistência.

Dispositivos semelhantes podem ser encontrados em um disco rígido moderno. Somente a versão spintronic pode ter injeção invertida no dispositivo e fazer com que ele se precesse (mude a orientação do acesso rotacional) ou balance usando manipulação magnética.

Essas habilidades permitem que a spintronics seja incorporada aos dispositivos de armazenamento de dados. Eles também podem ser usados ​​para o cálculo, o que significa que pode ser usado para criar CPUs super-rápidas e altamente eficientes.

Pesquisadores da Mordor Intelligence prevêem que os pesquisadores continuarão encontrando maneiras de implantar o armazenamento de dados spintronic para uma ampla gama de aplicações, incluindo o uso em veículos elétricos (EVs) e motores industriais.


Você já trabalhou em projetos que envolviam diretamente spintronics? Qual foi sua experiência? Compartilhe seus pensamentos nos comentários abaixo.

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