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Pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz e da Universidade de Konstanz, na Alemanha, bem como da Universidade de Tohoku, no Japão, conseguiram aumentar a difusão de redemoinhos magnéticos, os chamados skyrmions, por um fator de dez.
No mundo de hoje, nossas vidas são inimagináveis sem computadores. Até agora, esses dispositivos processavam informações usando principalmente elétrons como portadores de carga, com os próprios componentes aquecendo significativamente no processo. O resfriamento ativo é, portanto, necessário, o que acarreta altos custos de energia. A Spintrônica pretende resolver este problema: em vez de utilizar o fluxo de elétrons para processamento de informações, ela depende de seu spin ou de seu momento angular intrínseco. Espera-se que esta abordagem tenha um impacto positivo no tamanho, velocidade e sustentabilidade dos computadores ou componentes específicos.
Os redemoinhos magnéticos armazenam e processam informações
A ciência muitas vezes não considera simplesmente o spin de um elétron individual, mas sim os redemoinhos magnéticos compostos de numerosos spins. Esses redemoinhos chamados skyrmions emergem em finas camadas magnéticas metálicas e podem ser considerados quase-partículas bidimensionais. Por um lado, os redemoinhos podem ser movidos deliberadamente aplicando uma pequena corrente elétrica às camadas finas; por outro lado, eles se movem de forma aleatória e extremamente eficiente devido à difusão. A viabilidade de criar um computador funcional baseado em skyrmions foi demonstrada por uma equipe de pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU), liderada pelo Professor Dr. Mathias Kläui, usando um protótipo inicial. Este protótipo consistia em finas camadas metálicas empilhadas, algumas com apenas algumas camadas atômicas de espessura.
Eficiência energética: Aumento de dez vezes na difusão do turbilhão
Em colaboração com a Universidade de Konstanz e a Universidade de Tohoku, no Japão, pesquisadores da Universidade de Mainz deram agora mais um passo em direção à computação não convencional baseada em spin: eles foram capazes de aumentar a difusão de skyrmions por um fator de cerca de dez usando antiferromagnetos sintéticos, que reduz drasticamente o consumo de energia e aumenta a velocidade de um computador tão potencial. “A redução do uso de energia em dispositivos eletrônicos é um dos maiores desafios na pesquisa fundamental”, enfatizou o professor Dr. Ulrich Nowak, que liderou a parte teórica do projeto em Konstanz.
Mas o que é um antiferromagneto e para que serve? Os ferromagnetos normais consistem em muitos pequenos spins, todos acoplados para apontar na mesma direção, criando assim um grande momento magnético. Nos antiferromagnetos, os spins são alinhados alternadamente antiparalelos, ou seja, um spin e seus vizinhos diretos apontam na direção oposta. Como resultado, não há momento magnético resultante, embora os spins permaneçam antiferromagneticamente bem ordenados. Os antiferromagnetos têm vantagens significativas, como três magnitudes de dinâmica mais rápida para comutação, melhor estabilidade e potencial para densidades de armazenamento mais altas. Essas propriedades são intensamente estudadas em múltiplos projetos de pesquisa.
Vantagens de um antiferromagneto sintético
Para entender por que esses antiferromagnetos são úteis neste contexto, precisamos nos aprofundar um pouco mais. Quando os skyrmions se movem muito rapidamente, um componente de força adicional surge nas camadas ferromagnéticas perpendiculares à direção do movimento. Este componente de força empurra os skyrmions para fora do curso. Consequentemente, acabam colidindo com a parede, ficando presos e obstruindo o caminho de outras pessoas. Em velocidades mais altas, eles podem até ser destruídos. No entanto, é teoricamente conhecido que este efeito não ocorre em antiferromagnetos ou ocorre de forma muito limitada.
Para criar artificialmente esse antiferromagneto, os pesquisadores acoplaram duas de suas camadas ferromagnéticas de forma que a magnetização nas duas camadas ficasse precisamente alinhada em direções opostas, cancelando seus campos magnéticos. Isto proporciona duas vantagens: Reduzem a força que empurra os redemoinhos para fora do seu caminho e, assim, aumentam a difusão. “Com isso, criamos um antiferromagneto sintético no qual a difusão dos skyrmions é aproximadamente dez vezes maior do que nas camadas individuais”, disse Klaus Raab, físico da JGU. “Essa difusão pode ser implementada para realizar a computação estocástica – uma forma de computação onde processos estocásticos, como o movimento aleatório de partículas, são utilizados.”
A equipe de pesquisadores investigou os efeitos da compensação das camadas magnéticas além da influência da temperatura e do tamanho dos skyrmions na difusão e consequentemente no movimento dos skyrmions, tanto experimentalmente quanto por meio de simulações. Foram encontradas conexões intrincadas: à medida que a temperatura aumenta, os skyrmions têm mais energia para se difundirem mais rapidamente. O calor também reduz o tamanho dos skyrmions, o que afeta positivamente sua mobilidade. A compensação da componente de força vertical também tem um impacto positivo na difusão. Todos esses efeitos são difíceis de separar uns dos outros. “A difusão crescente parece ser atribuída não apenas à pura compensação dos campos magnéticos, mas também à redução associada no tamanho dos skyrmions”, resumiu Raab.
O professor Mathias Kläui, que liderou o estudo, está satisfeito com a colaboração frutífera com a Universidade de Tohoku: “Trabalhamos com esta importante universidade japonesa há cerca de dez anos e existem até programas de estudo conjuntos. Com o apoio do Serviço Alemão de Intercâmbio Acadêmico — o DAAD — e outros financiadores de pesquisa, mais de uma dúzia de estudantes da Universidade de Mainz já participaram de intercâmbios com a Universidade de Tohoku. Estou muito satisfeito que este esforço colaborativo tenha sido possível através desta cooperação.”
Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente em Comunicações da Natureza.
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