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À medida que a evolução dos microchips padrão está chegando ao fim, os cientistas procuram uma revolução. Os grandes desafios são projetar chips com maior eficiência energética e projetar dispositivos que combinem memória e lógica (memristores). Cientistas de materiais da Universidade de Groningen, na Holanda, descrevem em dois artigos como óxidos complexos podem ser usados para criar dispositivos magneto-elétricos de spin-órbita (MESO) com eficiência energética e dispositivos memristivos com dimensões reduzidas.
O desenvolvimento de computadores clássicos baseados em silício está se aproximando de seus limites. Para alcançar maior miniaturização e reduzir o consumo de energia, são necessários diferentes tipos de materiais e arquiteturas. Tamalika Banerjee, professora de Spintrônica de Materiais Funcionais no Instituto Zernike de Materiais Avançados da Universidade de Groningen, está analisando uma variedade de materiais quânticos para criar esses novos dispositivos. ‘Nossa abordagem é estudar esses materiais e suas interfaces, mas sempre de olho em aplicações, como memória ou a combinação de memória e lógica.’
Mais eficiente
O grupo Banerjee demonstrou anteriormente como o titanato de estrôncio dopado pode ser usado para criar memristores, que combinam memória e lógica. Eles publicaram recentemente dois artigos sobre dispositivos ‘além do CMOS’, os semicondutores de óxido metálico complementares que são os blocos de construção dos atuais chips de computador.
Um candidato para substituir o CMOS é o dispositivo magneto-electric spin-orbit (MESO), que pode ser 10 a 30 vezes mais eficiente. Vários materiais foram investigados quanto à sua adequação na criação de tal dispositivo. Job van Rijn, aluno de doutorado do grupo Banerjee, é o primeiro autor de um artigo na Revisão Física B publicado em dezembro de 2022, descrevendo como o manganato de estrôncio (SrMnO3 ou SMO para abreviar) pode ser um bom candidato para dispositivos MESO. “É um material multiferróico que acopla spintrônica e efeitos baseados em carga”, explica van Rijn. A spintrônica é baseada no spin (o momento magnético) dos elétrons.
Banerjee: ‘As ordenações magnéticas e de carga estão acopladas neste material, então podemos trocar o magnetismo por um campo elétrico e a polarização por um campo magnético.’ E, mais importante, esses efeitos estão presentes em temperaturas próximas à temperatura ambiente. Van Rijn está investigando o forte acoplamento entre os dois efeitos. “Sabemos que o ferromagnetismo e a ferroeletricidade são ajustáveis pela tensão de um filme fino de SMO. Esse esforço foi feito crescendo os filmes em diferentes substratos.’
Variedade
Van Rijn estuda como a tensão induz ferroeletricidade no material e como isso afeta a ordem magnética. Ele analisou os domínios nos filmes deformados e percebeu que as interações magnéticas são muito dependentes da estrutura do cristal e, em particular, das vacâncias de oxigênio, que modificam a direção preferencial da ordem magnética. ‘Experiências de transporte de spin nos levam à conclusão de que os domínios magnéticos desempenham um papel ativo nos dispositivos feitos desse material. Portanto, este estudo é o primeiro passo para estabelecer o uso potencial de manganato de estrôncio para novas arquiteturas de computação.’
Em 14 de fevereiro, o grupo Banerjee publicou um segundo artigo sobre dispositivos ‘além do CMOS’, na revista Materiais Eletrônicos Avançados. A aluna de doutorado Anouk Goossens é a primeira autora deste artigo sobre a miniaturização de memristores baseados em titanato de estrôncio dopado com nióbio (SrTiO3 ou STO). “O número de dispositivos por unidade de área de superfície é importante”, diz Goossens. ‘Mas alguns tipos de memristor são difíceis de reduzir.’
Goossens mostrou anteriormente que era possível criar dispositivos de ‘lógica na memória’ usando STO. Seu último artigo mostra que é possível reduzir a escala desses dispositivos. Um problema comum com os memristores é que seu desempenho é afetado negativamente pela miniaturização. Surpreendentemente, fabricar memristores menores de STO aumenta a diferença entre a taxa de resistência alta e baixa. “Estudamos o material por microscopia eletrônica de transmissão de varredura e notamos a presença de um grande número de lacunas de oxigênio na interface entre o substrato e o eletrodo do aparelho”, conta Goossens. ‘Após aplicarmos uma tensão elétrica, notamos o movimento da vacância de oxigênio, que é um fator chave no controle dos estados de resistência.’
Novo design
A conclusão é que o desempenho aprimorado resulta de efeitos de borda, que podem ser ruins para a memória normal. Mas no STO, o aumento do campo elétrico nas bordas realmente suporta a função do memristor. ‘No nosso caso, a vantagem é o dispositivo’, conclui Goossens. “Além disso, as propriedades exatas dependem da quantidade de dopagem de nióbio, de modo que o material pode ser ajustado para diferentes propósitos.”
Em conclusão, ambos os artigos publicados pelo grupo mostram o caminho para novas arquiteturas de computação. De fato, os memristores STO inspiraram colegas de Goossens e Banerjee na Universidade de Groningen Bernoulli Institute for Mathematics, Computer Science and Artificial Intelligence e CogniGron (Groningen Cognitive Systems and Materials Center), que já criaram um novo design para arquitetura de memória .
‘É exatamente para isso que estamos trabalhando’, diz Banerjee. ‘Queremos entender a física dos materiais e a maneira como nossos dispositivos funcionam e, em seguida, desenvolver aplicativos.’ Goosens: ‘Prevemos várias aplicações e a que estamos vendo é um gerador de números aleatórios que funciona sem um algoritmo e, portanto, é impossível de prever.’
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