O estado magnético oferece uma nova rota para dispositivos de memória “spintronic” que seriam mais rápidos e mais eficientes do que seus colegas eletrônicos.
Os físicos do MIT demonstraram uma nova forma de magnetismo que poderia um dia ser aproveitada para construir chips de memória “spintrônicos” mais rápidos, densos e menos fome de potência.
O novo estado magnético é uma mistura de duas formas principais de magnetismo: o ferromagnetismo dos ímãs diários da geladeira e agulhas de bússola e antiferromagnetismo, nos quais os materiais têm propriedades magnéticas na microescala, mas ainda não são magnetizadas macroscopicamente.
Agora, a equipe do MIT demonstrou uma nova forma de magnetismo, denominada “magnetismo de onda P”.
Os físicos observam há muito tempo que os elétrons de átomos em ferromagnets regulares compartilham a mesma orientação de “spin”, como tantas pequenas bússolas apontando na mesma direção. Esse alinhamento de rotação gera um campo magnético, que dá a um ferromagnet seu magnetismo inerente. Os elétrons pertencentes a átomos magnéticos em um antiferromagnet também têm rotação, embora esses spins alternem, com elétrons orbitando átomos vizinhos alinhando seus giros antiparalelas entre si. Tomados em conjunto, os giros iguais e opostos cancelam e o antiferromagnet não exibe magnetização macroscópica.
A equipe descobriu o novo magnetismo de onda P em iodeto de níquel (NII2), um materials cristalino bidimensional que eles sintetizaram no laboratório. Como um ferromagnet, os elétrons exibem uma orientação de rotação preferida e, como um antiferromagnet, populações iguais de rotações opostas resultam em um cancelamento líquido. No entanto, os giros nos átomos de níquel exibem um padrão único, formando configurações em espiral dentro do materials que são imagens espelhadas umas das outras, como a mão esquerda é a imagem do espelho da mão direita.
Além disso, os pesquisadores descobriram que essa configuração de spin em espiral lhes permitiu realizar “comutação de rotação”: dependendo da direção de rotações em espiral no materials, eles poderiam aplicar um pequeno campo elétrico em uma direção relacionada para virar facilmente uma espiral canhota de rodadas em uma espiral destra direita de spins e vice-versa.
A capacidade de mudar de elétrons está no coração de “spintronics”, que é uma alternativa proposta aos eletrônicos convencionais. Com essa abordagem, os dados podem ser gravados na forma de rotação de um elétron, em vez de sua carga eletrônica, potencialmente permitindo que ordens de magnitude mais dados sejam embaladas em um dispositivo enquanto usam muito menos energia para escrever e ler esses dados.
“Mostramos que essa nova forma de magnetismo pode ser manipulada eletricamente”, diz Qian Track, cientista de pesquisa do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. “Esse avanço abre o caminho para uma nova classe de dispositivos de memória magnética ultra-rápida, compacta, eficiente em termos de energia e não voláteis.”
Música e seus colegas publicou seus resultados 28 de maio no diário Natureza. Os co-autores do MIT incluem Connor Occhialini, Batyr Ilyas, Emre Ergeçen, NUH GEDIKe Riccardo Cominjunto com Rafael Fernandes na Universidade de Illinois Urbana-Champaign, e colaboradores de várias outras instituições.
Conectando os pontos
A descoberta expande o trabalho do grupo de Comin em 2022. Naquela época, a equipe investigou as propriedades magnéticas do mesmo materials, iodeto de níquel. No nível microscópico, o iodeto de níquel se assemelha a uma rede triangular de átomos de níquel e iodo. O níquel é o principal ingrediente magnético do materials, pois os elétrons nos átomos de níquel exibem rotação, enquanto os átomos de iodo não.
Nesses experimentos, a equipe observou que os rotações desses átomos de níquel estavam dispostos em um padrão em espiral em toda a rede do materials e que esse padrão poderia espiralar em duas orientações diferentes.
Na época, Comin não tinha idéia de que esse padrão exclusivo de rotações atômicas poderia permitir a comutação precisa dos giros nos elétrons circundantes. Mais tarde, essa possibilidade foi levantada pelo colaborador Rafael Fernandes, que junto com outros teóricos ficou intrigado com uma idéia recentemente proposta para um novo ímã de “onda P” não convencional, no qual os elétrons se moverem ao longo de direções opostas no materials teriam seus giros alinhados em direções opostas.
Fernandes e seus colegas reconheceram que, se os rotações dos átomos em um materials forem o arranjo espiral geométrico que Comin observou no iodeto de níquel, isso seria uma realização de um ímã de “onda P”. Então, quando um campo elétrico é aplicado para alternar a “mão” da espiral, ele também deve alternar o alinhamento de rotação dos elétrons que viajam na mesma direção.
Em outras palavras, esse ímã de onda P pode permitir a comutação simples e controlável de giros de elétrons, de uma maneira que poderia ser aproveitada para aplicações spintrônicas.
“Foi uma idéia completamente nova na época, e decidimos testá-la experimentalmente porque percebemos que o iodeto de níquel period um bom candidato para mostrar esse tipo de efeito de ímã de onda P”, diz Comin.
Corrente de rotação
Para seu novo estudo, a equipe sintetizou os flocos de iodeto de níquel único de níquel, depositando os pós dos respectivos elementos em um substrato cristalino, que eles colocaram em um forno de alta temperatura. O processo faz com que os elementos se instalem em camadas, cada um organizado microscopicamente em uma rede triangular de níquel e átomos de iodo.
“O que sai do forno são amostras de vários milímetros de largura e magros, como o pão de cracker”, diz Comin. “Em seguida, esfolemos o materials, descascando flocos ainda menores, cada um com vários mícrons de largura e algumas dezenas de nanômetros finos”.
Os pesquisadores queriam saber se, de fato, a geometria espiral dos rotações dos átomos de níquel forçaria os elétrons que viajam em direções opostas a ter giros opostos, como o que Fernandes esperava que um ímã de onda P fosse exibido. Para observar isso, o grupo aplicou a cada floco um feixe de luz polarizada circularmente – luz que produz um campo elétrico que gira em uma direção específica, por exemplo, no sentido horário ou no sentido anti -horário.
Eles argumentaram que, se os elétrons de viagem interagindo com as espirais de rotação têm uma rotação alinhada na mesma direção, a luz que entra, polarizada na mesma direção, deve ressoar e produzir um sinal característico. Esse sinal confirmaria que os giros dos elétrons de viagem alinhados por causa da configuração em espiral e, além disso, que o materials de fato exibe magnetismo de onda P.
E, de fato, foi isso que o grupo encontrou. Em experimentos com múltiplos flocos de iodeto de níquel, os pesquisadores observaram diretamente que a direção da rotação do elétron estava correlacionada com a mão da luz usada para excitar esses elétrons. Essa é uma assinatura reveladora do magnetismo da onda P, aqui observado pela primeira vez.
Indo um passo adiante, eles procuraram ver se poderiam trocar as rodadas dos elétrons aplicando um campo elétrico ou uma pequena quantidade de tensão, ao longo de diferentes direções através do materials. Eles descobriram que, quando a direção do campo elétrico estava alinhada com a direção da espiral de spin, o efeito trocou de elétrons ao longo da rota para girar na mesma direção, produzindo uma corrente de elétrons de girar semelhantes.
“Com essa corrente de rotação, você pode fazer coisas interessantes no nível do dispositivo, por exemplo, você pode girar domínios magnéticos que podem ser usados para controlar um bit magnético”, explica Comin. “Esses efeitos spintrônicos são mais eficientes que os eletrônicos convencionais, porque você está apenas movendo gira, em vez de mover cargas. Isso significa que você não está sujeito a nenhum efeito de dissipação que gerem calor, o que é essencialmente a razão pela qual os computadores esquentam”.
“Só precisamos de um pequeno campo elétrico para controlar essa comutação magnética”, acrescenta música. “Os ímãs de onda P podem economizar cinco ordens de magnitude de energia. O que é enorme.”
“Estamos empolgados em ver esses experimentos de ponta confirmam nossa previsão de estados polarizados de rotação de ondas P”, diz Libor Šmejkal, chefe do grupo de pesquisa Max Planck em Dresden, Alemanha, que é um dos autores do trabalho teórico que propôs o conceito de magnnetismo da P-Wave, mas não estava envolvido no novo trabalho. “A demonstração de polarização de rotação de ondas P eletricamente comutável também destaca as aplicações promissoras de estados magnéticos não convencionais”.
A equipe observou o magnetismo de onda P nos flocos de iodeto de níquel, apenas a temperaturas ultracoldes de cerca de 60 kelvins.
“Isso está abaixo do nitrogênio líquido, o que não é necessariamente prático para aplicações”, diz Comin. “Mas agora que percebemos esse novo estado de magnetismo, a próxima fronteira está encontrando um materials com essas propriedades, à temperatura ambiente. Então podemos aplicá -lo a um dispositivo spintrônico”.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela Nationwide Science Basis, pelo Departamento de Energia e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.
