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Um grupo de pesquisadores da Universidade de Tohoku revelou um novo material que exibe enorme magnetorresistência, abrindo caminho para o desenvolvimento da memória magnetorresistiva não volátil (MRAM).
Detalhes de sua descoberta única foram publicados no Jornal de Ligas e Compostos em 29 de maio de 2023.
Hoje, a demanda por avanços em hardware que possam processar com eficiência grandes quantidades de informações digitais e em sensores nunca foi tão grande, especialmente com os governos implantando inovações tecnológicas para alcançar sociedades mais inteligentes.
Grande parte desse hardware e sensores dependem de MRAM e sensores magnéticos, e os dispositivos magnetorresistivos de túnel compõem a maioria desses dispositivos.
Os dispositivos magnetorresistivos de túnel exploram o efeito da magnetorresistência do túnel para detectar e medir campos magnéticos. Isso está ligado à magnetização de camadas ferromagnéticas em junções de túnel magnético. Quando os ímãs estão alinhados, um estado de baixa resistência é observado, e os elétrons podem facilmente atravessar a fina barreira isolante entre eles. Quando os ímãs não estão alinhados, o tunelamento de elétrons torna-se menos eficiente e leva a uma maior resistência. Essa mudança na resistência é expressa como a relação magnetoresistiva, uma figura-chave na determinação da eficiência dos dispositivos magnetoresistivos de tunelamento. Quanto maior a taxa de magnetorresistência, melhor é o dispositivo.
Os atuais dispositivos magnetorresistivos de túnel compreendem óxido de magnésio e ligas magnéticas à base de ferro, como ferro-cobalto. As ligas à base de ferro têm uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado em condições ambientais e exibem um enorme efeito de magnetorresistência de túnel em dispositivos com óxido de magnésio do tipo sal-gema.
Houve dois estudos notáveis usando essas ligas à base de ferro que produziram dispositivos magnetorresistivos exibindo altas taxas de magnetorresistência. A primeira em 2004 foi do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada do Japão e da IBM; e a segunda veio em 2008, quando pesquisadores da Universidade de Tohoku relataram uma taxa de magnetorresistência superior a 600% à temperatura ambiente, algo que saltou para 1000% com temperaturas próximas de zero kelvin.
Desde essas descobertas, vários institutos e empresas investiram esforços consideráveis no aprimoramento da física, dos materiais e dos processos dos dispositivos. No entanto, além das ligas à base de ferro, apenas algumas ligas magnéticas ordenadas do tipo Heusler exibiram uma magnetorresistência tão grande.
O Dr. Tomohiro Ichinose e o professor Shigemi Mizukami, da Universidade de Tohoku, começaram recentemente a explorar materiais termodinamicamente metaestáveis para desenvolver um novo material capaz de demonstrar taxas de magnetorresistência semelhantes. Para fazer isso, eles se concentraram nas fortes propriedades magnéticas das ligas de cobalto-manganês, que possuem uma estrutura cristalina metaestável cúbica centrada no corpo.
“As ligas de cobalto-manganês têm estruturas cristalinas cúbicas ou hexagonais centradas na face como fases termodinamicamente estáveis. Como essa fase estável exibe magnetismo fraco, ela nunca foi estudada como um material prático para dispositivos magnetorresistivos de túnel”, disse Mizukami.
Em 2020, o grupo relatou um dispositivo que usava uma liga de cobalto-manganês com estrutura cristalina cúbica centrada no corpo metaestável.
Usando ciência de dados e/ou métodos experimentais de alto rendimento, eles desenvolveram essa descoberta e conseguiram obter enorme magnetorresistência em dispositivos adicionando uma pequena quantidade de ferro à liga metaestável de cobalto-manganês cúbico centrado no corpo. A taxa de magnetorresistência foi de 350% em temperatura ambiente e também excedeu 1000% em baixa temperatura. Além disso, a fabricação do dispositivo empregou o método de sputtering e um processo de aquecimento, algo compatível com as indústrias atuais.
“Produzimos a terceira instância de uma nova liga magnética para tunelamento de dispositivos magnetorresistivos mostrando enorme magnetorresistência, e define uma direção alternativa de viagem para melhorias futuras”, acrescenta Mizukami.
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