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Cientistas liderados por pesquisadores da Nanyang Technological University, Cingapura (NTU Singapore) fizeram um avanço significativo no desenvolvimento de materiais alternativos para os chips de memória de alta velocidade que permitem que os computadores acessem informações rapidamente e contornam as limitações dos materiais existentes.
Eles descobriram uma maneira que lhes permite entender os dados anteriormente difíceis de ler armazenados nesses materiais alternativos, conhecidos como antiferromagnetos.
Os pesquisadores consideram os antiferromagnetos materiais atraentes para a fabricação de chips de memória de computador porque são potencialmente mais eficientes em termos de energia do que os tradicionais feitos de silício. Os chips de memória feitos de antiferromagnetos não estão sujeitos às restrições de tamanho e velocidade, nem aos problemas de corrupção inerentes aos chips feitos com certos materiais magnéticos.
Os dados do computador são armazenados como um código que compreende uma sequência de 1s e 0s. Atualmente, existem métodos para “escrever” dados em antiferromagnetos, configurando-os para que possam representar o número 1 ou 0.
No entanto, “ler” esses dados de antiferromagnetos provou ser difícil para os pesquisadores, pois não havia métodos práticos no passado que pudessem descobrir em qual número os materiais foram codificados.
Agora, cientistas liderados pelo professor associado Gao Weibo, da Escola de Ciências Físicas e Matemáticas (SPMS) da NTU, encontraram uma solução.
Resultados de seus experimentos, publicados online na revista científica Natureza em junho de 2023, mostrou que em temperaturas ultrabaixas próximas ao frio do espaço sideral, se eles passassem uma corrente através de antiferromagnetos, uma voltagem única era medida entre eles.
Dependendo se essa tensão era positiva ou negativa, os cientistas poderiam descobrir se os antiferromagnetos foram codificados como 1 ou 0. Isso permite que os dados armazenados nos materiais sejam lidos.
“Nossa descoberta fornece uma maneira direta de ler os dados armazenados em antiferromagnetos, sendo capaz de distinguir os dois estados que os materiais podem assumir”, disse o Prof. Assoc Gao. “As descobertas avançam na pesquisa sobre o uso de antiferromagnetos para a memória do computador no futuro.”
Chips para memória de computador, também chamados de memória de acesso aleatório (RAM), são usados para acessar dados rapidamente, como para abrir software e editar documentos em computadores.
Espera-se que os chips de memória feitos com antiferromagnetos armazenem e alterem dados mais rapidamente do que aqueles feitos de materiais magnéticos chamados ferromagnets, porque eles podem mudar entre os estados 1 e 0 cerca de 100 vezes mais rápido. Isso é útil para tarefas de computação com uso intensivo de recursos.
Pesquisadores do Instituto de Ciências Weizmann de Israel, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão e da Universidade de Chongqing da China também contribuíram para o estudo liderado pela NTU.
Os resultados da pesquisa exemplificam um foco principal do plano estratégico NTU 2025 em pesquisa interdisciplinar com impacto intelectual e social significativo.
problemas magnéticos
A memória do computador compreende tradicionalmente microchips de silício. Mas nas últimas décadas, os pesquisadores têm procurado usar materiais magnéticos chamados ferromagnetos, feitos de ligas de cobalto e ferro, para chips de memória, e que agora são usados em inteligência artificial e aplicações espaciais. Isso ocorre em parte porque os chips ferromagnéticos são mais eficientes em termos de energia do que os de silício.
Os chips de memória fazem uso das propriedades internas dos ferromagnetos para armazenar dados. Os ferromagnetos têm “mini ímãs” devido ao comportamento de seus elétrons. Quando esses miniímãs são alinhados de uma maneira específica, os materiais estarão em um estado que pode representar 1. Orientar os miniímãs de uma maneira diferente resulta em um estado que representa 0.
No entanto, se os chips ferromagnéticos forem expostos a campos magnéticos, como os de linhas de energia ou equipamentos industriais com eletroímãs, essas propriedades intrínsecas – o alinhamento dos miniímãs – podem ser interrompidas, corrompendo ou destruindo os dados armazenados.
Embora esse problema possa ser resolvido protegendo os chips, os ferromagnetos também produzem campos magnéticos que podem interromper as propriedades internas de outros ferromagnetos próximos.
Os antiferromagnetos podem superar esses problemas, pois não produzem campos magnéticos porque suas propriedades internas são ligeiramente diferentes das dos ferromagnets, devido ao alinhamento de seus miniímãs.
Isso também significa que eles não serão perturbados na presença de outros ímãs, e mais antiferromagnetos podem ser empacotados na mesma quantidade de espaço que ferromagnets, aumentando assim a capacidade de memória.
Ainda assim, apesar de encontrar maneiras de configurar os antiferromagnetos para codificar dados como 1s e 0s, a leitura dessas informações tem sido difícil, pois não havia métodos práticos que pudessem distinguir em que estado os materiais estavam.
Tensão única resolve o problema de leitura de dados
Ao estudar as propriedades físicas de um novo material antiferromagnético chamado telureto de manganês e bismuto, a equipe do Assoc Prof Gao tropeçou em uma observação que resolveu o problema de leitura de dados.
Em seus experimentos, os cientistas passaram uma corrente alternada através de um dispositivo muito pequeno do tamanho de uma gota de chuva que consiste em flocos de cristal de telureto de bismuto de manganês em temperaturas extremamente baixas de cerca de 5 Kelvins ou -268 graus Celsius, que se aproximam do frio do espaço sideral.
Surpreendentemente, os pesquisadores encontraram um sinal de tensão único nos cristais com uma frequência duas vezes maior que a da corrente alternada. Por exemplo, a passagem de uma corrente de 10 microamperes a uma frequência de 100 hertz produziu uma tensão de 0,2 milivolts com uma frequência de 200 hertz. Os cientistas esperavam que as frequências da tensão e da corrente fossem as mesmas.
Eles também descobriram que, dependendo de como o telureto de bismuto de manganês antiferromagnético foi configurado, o sinal da tensão mudaria.
Se a tensão fosse positiva, significava que o antiferromagneto estava em um estado representando 0. Se a voltagem fosse negativa, o material estava em um estado representando 1. Esta observação resolve o problema de não ser capaz de ler facilmente as informações armazenadas em antiferromagnetos.
Os cientistas acreditam que outros antiferromagnetos exibirão um comportamento semelhante e seu próximo passo será testar esses materiais que podem codificar dados à temperatura ambiente.
Os pesquisadores disseram que a voltagem única surge das propriedades eletrônicas dos cristais de telureto de bismuto de manganês, chamados de métrica quântica. As propriedades não foram observadas experimentalmente até recentemente. Esta última descoberta aponta o caminho para novas investigações em sistemas onde tais propriedades importam e que são explicadas pela mecânica quântica, o estudo de como a matéria e a energia se comportam no nível atômico e subatômico.
Um dos revisores independentes e anônimos do artigo da Nature escreveu que os experimentos do grupo “descobrem o fenômeno de transporte causado pela métrica quântica, que é significativo para a física da topologia”, acrescentando que os “resultados experimentais são sólidos e convincentes”.
Os cientistas liderados pela NTU também descobriram que, além da voltagem inesperada que detectaram, havia outra voltagem que surgiu de uma corrente contínua induzida pela corrente alternada que passava pelos cristais de telureto de manganês e bismuto. Por exemplo, eles descobriram que uma corrente alternada de 10 microamperes produziria uma tensão de 0,3 milivolts ligada à corrente contínua.
A descoberta sugere que a energia sem fio, como a de Wi-Fi e sinais móveis, pode fazer com que os antiferromagnetos produzam eletricidade que um dia poderá ser aproveitada para alimentar dispositivos eletrônicos portáteis.
O Prof. Assoc Gao disse que sua equipe está planejando mais pesquisas para aumentar a quantidade de energia que pode ser coletada dessa maneira.
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