Impulsionando ímãs em camadas atômicas em direção a computadores verdes

Globalmente, a computação está a crescer a um ritmo sem precedentes, alimentada pelos benefícios da inteligência artificial. Com isto, a enorme procura de energia da infra-estrutura informática mundial tornou-se uma grande preocupação, e o desenvolvimento de dispositivos informáticos que sejam muito mais eficientes em termos energéticos é um grande desafio para a comunidade científica.

O uso de materiais magnéticos para construir dispositivos de computação como memórias e processadores surgiu como um caminho promissor para a criação de computadores “além do CMOS”, que usariam muito menos energia em comparação com os computadores tradicionais. A comutação de magnetização em ímãs pode ser usada em computação da mesma forma que um transistor muda de aberto ou fechado para representar os 0s e 1s do código binário.

Embora grande parte da pesquisa nesta direção tenha se concentrado no uso de materiais magnéticos em massa, uma nova classe de materiais magnéticos – chamados ímãs bidimensionais de van der Waals – fornece propriedades superiores que podem melhorar a escalabilidade e a eficiência energética de dispositivos magnéticos para torná-los comercialmente viável.

Embora os benefícios da mudança para materiais magnéticos 2D sejam evidentes, a sua indução prática em computadores tem sido dificultada por alguns desafios fundamentais. Até recentemente, os materiais magnéticos 2D só podiam operar em temperaturas muito baixas, como os supercondutores. Portanto, elevar a temperatura operacional acima da temperatura ambiente continua sendo o objetivo principal. Além disso, para uso em computadores, é importante que estes possam ser controlados eletricamente, sem a necessidade de campos magnéticos.

Preencher esta lacuna fundamental, onde materiais magnéticos 2D podem ser comutados eletricamente acima da temperatura ambiente sem quaisquer campos magnéticos, poderia potencialmente catapultar a tradução de ímãs 2D na próxima geração de computadores “verdes”.

Uma equipe de pesquisadores do MIT alcançou agora esse marco crítico ao projetar um dispositivo “heteroestrutura em camadas atômicas de van der Waals”, onde um ímã 2D de van der Waals, telureto de ferro e gálio, faz interface com outro material 2D, o ditelureto de tungstênio. Em um artigo de acesso aberto publicado em Avanços da Ciênciaa equipe mostra que o ímã pode ser alternado entre os estados 0 e 1 simplesmente aplicando pulsos de corrente elétrica em seu dispositivo de duas camadas.

“Nosso dispositivo permite comutação robusta de magnetização sem a necessidade de um campo magnético externo, abrindo oportunidades sem precedentes para tecnologia de computação de consumo ultrabaixo e ambientalmente sustentável para big data e IA”, diz a autora principal Deblina Sarkar, professora assistente de desenvolvimento de carreira da AT&T na o MIT Media Lab e Center for Neurobiological Engineering, e chefe do grupo de pesquisa Nano-Cybernetic Biotrek. “Além disso, a estrutura em camadas atômicas do nosso dispositivo oferece recursos exclusivos, incluindo interface aprimorada e possibilidades de ajuste de tensão de porta, bem como tecnologias spintrônicas flexíveis e transparentes.”

Sarkar é acompanhado no artigo pelo primeiro autor Shivam Kajale, um estudante de pós-graduação do grupo de pesquisa de Sarkar no Media Lab; Thanh Nguyen, estudante de pós-graduação do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE); Nguyen Tuan Hung, pesquisador visitante do MIT na NSE e professor assistente na Universidade Tohoku, no Japão; e Mingda Li, professor associado da NSE.

Quebrando as simetrias do espelho

Quando a corrente elétrica flui através de metais pesados ​​como platina ou tântalo, os elétrons são segregados nos materiais com base em seu componente de spin, um fenômeno chamado efeito Hall de spin, diz Kajale. A forma como essa segregação acontece depende do material e principalmente de suas simetrias.

“A conversão de corrente elétrica em correntes de spin em metais pesados ​​está no cerne do controle elétrico dos ímãs”, observa Kajale. “A estrutura microscópica dos materiais usados ​​convencionalmente, como a platina, tem uma espécie de simetria espelhada, que restringe as correntes de spin apenas à polarização de spin no plano.”

Kajale explica que duas simetrias de espelho devem ser quebradas para produzir um componente de spin “fora do plano” que pode ser transferido para uma camada magnética para induzir comutação livre de campo. “A corrente elétrica pode ‘quebrar’ a simetria do espelho ao longo de um plano na platina, mas sua estrutura cristalina impede que a simetria do espelho seja quebrada em um segundo plano.”

Nas suas experiências anteriores, os investigadores usaram um pequeno campo magnético para quebrar o segundo plano do espelho. Para se livrar da necessidade de um empurrão magnético, Kajale, Sarkar e colegas procuraram um material com uma estrutura que pudesse quebrar o segundo plano do espelho sem ajuda externa. Isso os levou a outro material 2D, o ditelureto de tungstênio.

O ditelureto de tungstênio usado pelos pesquisadores tem uma estrutura cristalina ortorrômbica. O próprio material possui um plano espelhado quebrado. Assim, aplicando corrente ao longo de seu eixo de baixa simetria (paralelo ao plano do espelho quebrado), a corrente de spin resultante tem um componente de spin fora do plano que pode induzir diretamente a comutação no ímã ultrafino em interface com o ditelureto de tungstênio.

“Como também é um material van der Waals 2D, também pode garantir que, quando empilhamos os dois materiais, obtenhamos interfaces originais e um bom fluxo de spins de elétrons entre os materiais”, diz Kajale.

Tornando-se mais eficiente em termos energéticos

A memória e os processadores de computador construídos com materiais magnéticos usam menos energia do que os dispositivos tradicionais baseados em silício. E os ímãs de van der Waals podem oferecer maior eficiência energética e melhor escalabilidade em comparação com o material magnético a granel, observam os pesquisadores.

A densidade de corrente elétrica usada para comutar o ímã se traduz em quanta energia é dissipada durante a comutação. Uma densidade mais baixa significa um material muito mais eficiente em termos energéticos.

“O novo design tem uma das densidades de corrente mais baixas dos materiais magnéticos de van der Waals”, diz Kajale. “Este novo projeto tem uma ordem de magnitude menor em termos de corrente de comutação necessária em materiais a granel. Isso se traduz em algo como uma melhoria de duas ordens de magnitude na eficiência energética.”

A equipe de pesquisa está agora analisando materiais semelhantes de van der Waals de baixa simetria para ver se eles podem reduzir ainda mais a densidade de corrente. Eles também esperam colaborar com outros pesquisadores para encontrar maneiras de fabricar dispositivos de comutação magnética 2D em escala comercial.

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.