Cientistas demonstram geração eficiente de ondas de spin com altas amplitudes usando correntes alternadas em uma pilha magnética simples – um passo fundamental para a computação com eficiência energética do futuro
Um novo estudo conduzido na Universidade de Viena, no Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes em Stuttgart e nos Centros Helmholtz em Berlim e Dresden dá um passo importante no desafio de miniaturizar dispositivos de computação e torná-los mais eficientes em termos de energia. O trabalho foi publicado no renomado periódico científico Science Advances abre novas possibilidades para a criação de circuitos magnônicos reprogramáveis, excitando ondas de spin por correntes alternadas e redirecionando essas ondas sob demanda.
As unidades centrais de processamento (CPUs) que usamos em nossos laptops, desktops ou até mesmo telefones estão usando bilhões de transistores, que são baseados na tecnologia de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS). Com a crescente necessidade de miniaturizar esses dispositivos, várias limitações físicas estão levantando preocupações sobre sua sustentabilidade. Além disso, altos consumos de energia e perdas de energia levam os cientistas a buscar arquiteturas de computação alternativas.
Um dos candidatos promissores são os magnons, os quanta das ondas de spin. “Imagine um lago calmo. Se deixarmos uma pedra cair na água, as ondas resultantes se propagarão para longe do ponto de geração. Agora, substituímos o lago por um material magnético e a pedra por uma antena. As ondas propagantes são chamadas de ondas de spin e podem ser usadas para transferir energia e informações de um ponto a outro com perdas mínimas”, diz Sabri Koraltan da Universidade de Viena, primeiro autor do estudo recente publicado no periódico Science Advances. Uma vez geradas, as ondas de spin podem ser usadas para dispositivos magnônicos para executar tarefas de computação clássicas e não convencionais. “Para reduzir a pegada de dispositivos magnônicos, precisamos usar ondas de spin com comprimentos de onda curtos, que são difíceis de gerar usando nanoantenas de última geração devido à eficiência limitada”, acrescenta Sebastian Wintz da Helmholtz-Zentrum Berlin e coordenador do projeto de pesquisa. As nanoantenas só podem ser fabricadas em salas limpas, instalações de nanofabricação altamente especializadas, usando técnicas avançadas de litografia.
Em um grande salto à frente, os pesquisadores da Áustria e da Alemanha chegaram a uma solução muito mais simples: a corrente elétrica flui diretamente através de uma pilha magnética com padrões magnéticos giratórios. “Nossa pesquisa mostra que, ao usar uma geometria de corrente alternada lateral em pares de vórtices ferrimagnéticos sintéticos, podemos obter emissão de ondas de spin com uma eficiência que supera os métodos convencionais em várias ordens de magnitude”, diz Sabri Koraltan. Os sistemas ferrimagnéticos sintéticos têm padrões de magnetização opostos. Se a camada superior tiver um vórtice giratório no sentido horário, a camada inferior terá um sentido de rotação anti-horário. Isso permite a excitação eficiente do padrão de magnetização usando os campos magnéticos gerados pelas correntes alternadas. “Usando nosso microscópio de raios X 'Maxymus' de alta resolução, baseado no síncrotron de elétrons BESSY II em Berlim, fomos capazes até mesmo de observar as ondas de spin previstas em comprimentos de onda em nanoescala e frequências de Gigahertz”, acrescenta Sebastian Wintz. “Além disso, ao incorporar materiais especiais, que podem alterar sua magnetização quando uma tensão é aplicada, demonstramos que a direção dessas ondas de spin pode ser dinamicamente direcionada simplesmente ajustando a magnitude da corrente aplicada. Isso pode ser considerado um passo importante em direção aos dispositivos magnônicos ativos”, completa Sabri Koraltan. “Nossa nova geração de software de simulação micromagnética, magnum.np, nos permitiu realizar simulações em larga escala, que foram cruciais para entender os principais mecanismos por trás dessa excitação de onda de spin eficiente e controlável”, acrescenta Dieter Süss, chefe do Departamento de Física de Materiais Funcionais da Universidade de Viena.
A capacidade de redirecionar ondas de spin sob demanda abre novas possibilidades para a criação de circuitos magnônicos reprogramáveis, o que pode levar a sistemas de computação mais adaptáveis e energeticamente eficientes. As descobertas, publicadas na Science Advances, representam um grande avanço na descoberta de novas maneiras de gerar magnons para possíveis tecnologias de próxima geração baseadas em magnons.
Publicação original:
Sabri Koraltan et al. “Emissão de ondas de spin conduzida por corrente direcionável em pares de vórtices magnéticos” Science Advances 10.39 (2024)
DOI: 10.1126/sciadv.ado8635
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8635
Foto:
Fig. 1: Ondas de spin coerentes excitadas em uma pilha de tricamada magnética simples por correntes alternadas. C: Sabri Koraltan
