Uma equipe liderada por Ryo Shimano, da Universidade de Tóquio, observou diretamente como o spin do elétron gira dentro de um antiferromagneto, um material no qual os spins opostos se cancelam. Ao capturar esse processo em ação, os pesquisadores identificaram dois processos de comutação distintos. Um deles descreve um caminho prático em direção à memória magnética e aos dispositivos lógicos ultrarrápidos e não voláteis que podem superar as tecnologias atuais. Os resultados são publicados Materiais da natureza.
De cartões de papel perfurados e hastes de metal a tubos de vácuo e transistores, a computação moderna sempre dependeu de sistemas físicos para representar 0s e 1s. À medida que aumenta a demanda por poder de processamento, os pesquisadores procuram alternativas mais rápidas e eficientes. Os antiferromagnetos oferecem uma alternativa promissora. Embora pareçam ser magneticamente neutros porque o seu spin é desequilibrado, a sua estrutura magnética interna ainda pode ser usada para armazenar informação digital de novas maneiras.
“Por muitos anos”, diz Shimano, “os cientistas acreditaram que antiferromagnetos como o Mn3Sn (tritina manganês) pode alterar sua magnetização muito rapidamente. No entanto, não estava claro se esta comutação não volátil poderia ser concluída dentro de algumas dezenas de picossegundos ou como a magnetização realmente mudou durante o processo de comutação.”
Calor ou corrente? Resolvendo o mistério da mudança
Uma questão central era o que realmente impulsionava a reversão do spin. A corrente elétrica inverte os spins diretamente ou o calor gerado pela corrente causa a mudança?
Para descobrir, a equipe desenvolveu um experimento que desdobrou o processo em tempo real. Eles fizeram uma fina película de Mn3Sn e envia pulsos elétricos curtos através dele. Ao mesmo tempo, eles iluminaram a amostra com flashes de luz ultrarrápida precisamente cronometrados, ajustando o atraso entre o pulso de corrente e o pulso de luz. Este método permitiu-lhes montar uma sequência resolvida no tempo que mostra como a magnetização evoluiu ao longo do tempo.
“A parte mais desafiadora do projeto”, lembra Shimano, “foi medir as mudanças infinitesimais no sinal magnetoóptico. No entanto, ficamos surpresos como pudemos finalmente observar o processo de comutação depois de estabelecermos o método correto”.
Dois processos distintos de mudança de spin foram revelados
O experimento produziu algo sem precedentes: uma visão quadro a quadro das mudanças no padrão magnético durante a comutação. As figuras mostram que o comportamento depende da intensidade da corrente aplicada.
Quando a corrente era forte, a comutação era impulsionada pelo efeito de aquecimento. Sob condições de corrente fraca, entretanto, os spins envolvem pouco ou nenhum aquecimento. Este segundo caminho é particularmente significativo porque oferece uma maneira de controlar o estado magnético de forma rápida e eficiente, sem desperdiçar energia na forma de calor.
Esse processo de comutação sem calor poderia servir de base para dispositivos spintrônicos de próxima geração usados em computação, comunicações e eletrônica avançada. Para a Shimano, as descobertas apontam para um novo território científico ainda à espera de ser explorado.
Ultrapassando os limites da comutação de picossegundos
“Nossa observação mais rápida atual de comutação elétrica em Mn₃Sn é de 140 picossegundos, limitada principalmente pelo quão curtos os pulsos de corrente podem ser feitos em nossa configuração de dispositivo. No entanto, nossas descobertas sugerem que o próprio material pode mudar ainda mais rápido sob condições adequadas. No futuro, pretendemos tornar esses pulsos de corrente ainda mais curtos. A estrutura do dispositivo está sendo otimizada. “
Embora as medições atuais sejam limitadas a 140 picossegundos, o limite real de velocidade do material pode ser menor. Ao refinar seu equipamento experimental e o design do dispositivo, os pesquisadores esperam ver quão rápido a mudança de spin antiferromagnético pode ocorrer.
