Mais poder e velocidade

Criado componente fundamental para a computação spintrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/05/2017

O diodo spintrônico é baseado em um memoristor, um componente que imita as sinapses do cérebro. [Imagem: NIST]

Diodo spintrônico

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) dos EUA desenvolveram um componente básico fundamental para o desenvolvimento da spintrônica.

Componentes spintrônicos processam e transmitem informações usando o momento angular de cada elétron - mais conhecido como spin do elétron -, em vez das cargas elétricas de trilhões de elétrons fluindo na forma de uma corrente, como na eletrônica atual.

O resultado é que futuros circuitos baseados nesse conceito serão mais rápidos e consumirão uma fração da energia necessária para os equipamentos atuais.

Embora já existam demonstrações de inteligência artificial com spintrônica e uma estreita convergência da spintrônica com a computação quântica, os componentes fundamentais dessa tecnologia emergente ainda exigem tensões mais elevadas do que seria desejável para chips verdadeiramente revolucionários.

Foi justamente esse problema que Hyuk-Jae Jang e Curt Richter resolveram: eles modificaram um memoristor, o componente usado para construir sinapses artificiais, para que ele funcione como uma chave liga/desliga de correntes de spin, filtrando os elétrons com spins diferentes - essencialmente um diodo spintrônico.

O problema de alta tensão

É o spin o que dá magnetismo às coisas magnéticas: Cada elétron se comporta como um pequeno ímã, com dois pólos opostos. Materiais nos quais a maioria dos spins dos elétrons está alinhada na mesma direção (polarizada) produzem um campo magnético com a mesma orientação. Elétrons com o mesmo alinhamento de spin passam facilmente através desse material, enquanto elétrons com o alinhamento oposto são bloqueados.

Essa propriedade tem sido explorada para fazer "válvulas de spin" microscópicas - tipicamente um canal com uma camada magnética em cada extremidade. A polaridade relativa dos dois ímãs liga ou desliga a válvula: Se os dois ímãs tiverem o mesmo alinhamento, a corrente polarizada por spin passa através do canal; se os ímãs tiverem alinhamentos opostos, a corrente não consegue fluir.

Esse diodo spintrônico é "comutado" invertendo-se a polaridade de um dos ímãs, o que é feito aplicando uma corrente suficiente de elétrons com a rotação oposta. No entanto, inverter a polaridade do ímã gasta mais energia do que seria desejável.

Sinapse eletrônica vira diodo spintrônico

Jang e Richter foram buscar uma solução para o problema nos memoristores porque estes são essencialmente sanduíches de diferentes materiais, com um eletrodo na parte superior e outro na parte inferior, entre os quais estão uma camada de metal (condutor) e uma camada óxido (mau condutor). Quando uma tensão é aplicada aos eletrodos numa direção, a corrente flui e, invertendo-se a tensão, a corrente é desligada.

Eles descobriram que isso acontece porque a corrente faz com que átomos do metal condutor se difundam e interajam com o óxido - as camadas são extremamente finas - formando pequenos filamentos através da camada isolante que funcionam como canais de baixa resistência à corrente. Se a corrente é invertida, a camada de óxidos se livra dos átomos metálicos e a resistência volta a subir, interrompendo a corrente.

Qualquer que seja o sentido da corrente, assim que ela é desligada a resistência da camada de óxido fica "congelada" no estado em que se encontra - é por isso que os memoristores se "lembram" da última corrente que os atravessou, permitindo que eles funcionem como sinapses artificiais.

A novidade é que esses mesmos filamentos atômicos que se difundem pela camada de óxido permitem filtrar a corrente pelo spin, seguindo o modelo tradicional das válvulas de spin - e com baixas tensões e correntes.

"O que torna [nosso componente] único é que você pode abrir ou fechar um canal de spin usando um controle elétrico," explicou Jang. "E assim, com uma pequena tensão, podemos ligar e desligar a corrente de spin em um tempo de sub-nanossegundo, sem ter que inverter a polaridade do eletrodo ferromagnético de uma válvula de spin. Essa operação de alta velocidade e baixo consumo de energia é essencial para construir a futura tecnologia de lógica baseada em spintrônica para substituir a atual tecnologia de eletrônica baseada em CMOS, usada para fabricar quase todos os circuitos integrados hoje."

Bibliografia:

Organic Spin-Valves and Beyond: Spin Injection and Transport in Organic Semiconductors and the Effect of Interfacial Engineering
Hyuk-Jae Jang, Curt Andrew Richter
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201602739