Ciências e Tecnologia » Tecnologia » Computação » Spintrônica | Uma revolução nos dispositivos eletrônicos

Spintrônica | Uma revolução nos dispositivos eletrônicos

A spintrônica vem possibilitando semicondutores cada vez menores e é responsável por diversos avanços na computação e na fabricação de eletrônicos. A lei de moore diz que: “o número de transistores a cada dois anos iria dobrar dentro dos chips eletrônicos”, a medida que o tempo passa isso tem sido evidenciado dentro de complexos processadores de alta performance, e a ideia é que cada vez mais os chips sejam menores, com menos consumo resultando em menos potência dissipada, mais memória e processamento cada vez mais rápido. A medida que o tempo passa um grande problema se aproxima, pois a medida que o número de transistores cresce dentro de um processador o seu tamanho diminui proporcionalmente, hoje temos transistores de 22 nanômetros (1 nanômetro equivale à um 1 milímetro dividido por 1 milhão), a comunidade tem trabalhado para  o  desenvolvimento de novas técnicas e  para desenvolvimento de  semicondutores que cada vez mais são  menores e algumas dessas técnicas vem através da spintrônica.

Armazenamento de informações na eletrônica  convencional

Diferente da spintrônica, a eletrônica convencional consiste em desenvolver o controle da carga manipulando tanto a diferença de potencial como o fluxo de elétrons, toda informação sendo ela analógica ou digital está intrinsecamente relacionada ao movimento dos elétrons, sendo analógico a informação está relacionada com a variação do fluxo, sendo digital a informação está relacionada com  a presença ou ausência de carga a famosa notação binária 0 ou 1.

Através das mudanças tecnológicas ao invés de usarmos apenas o movimento dos elétrons e levarmos toda informação, o objetivo é utilizar o estado quântico de cada elétron, ou seja, a própria carga poderia levar informação através do seu spin.

Tanto os dispositivos da eletrônica analógica como da eletrônica digital operam baseados exclusivamente no movimento dos elétrons através de um meio,  em um sinal analógico, por exemplo, são as variações do  fluxo de elétrons que transportam a informação, como por exemplo, um sinal de áudio sendo discretizado e quantizado ou um sinal de um sensor de temperatura que trás a informação da temperatura ambiente, enquanto que num circuito digital é a presença ou ausência do  fluxo de elétrons que transporta a informação correspondente aos bits. Já na abordagem usada na spintrônica há a possibilidade de se associar um bit a cada elétron, o que abre portas para a criação de dispositivos  com uma densidade (relação capacidade de processamento e tamanho), até então não imaginada. Pode até se dizer que, pela primeira vez  seria possível construir dispositivos capazes de armazenar informações em uma quantidade  maior até que a do próprio cérebro humano.

Spintrônica - Sinal Digital x Analógico

Sinal Digital x Analógico

 

Momento angular do elétron – “Spin”

Nas aulas do ensino médio de química aprendemos as distribuições de cargas sobre as camadas dos átomos e também que em cada camada pode se obter sub-níveis, onde cada nível organizado  dentro da  camada representa um nível de energia. Através dessa análise descrevemos a distribuição eletrônica desenvolvida por “Ruthenford – Bohr” tanto os números quânticos  como também  o  número quântico azimutal ou secundário, e posteriormente pode  obter a  rotação do elétron, que pode  ser +1/2  e -1/2,que indica a rotação para um lado e da mesma forma para  o outro,  através destes 2 estados podemos denotar uma informação, ou seja, +1/2 seria equivalente à 1 e -1/2 à 0 ou vice versa.

Spintrônica - Momento Angular do Elétron

Spintrônica – Momento Angular do Elétron

Para entendermos como o momento  dos elétrons é importante devemos entender  comportamento dos átomos das diversas substâncias, pois o mesmo tem uma elevada importância na imantação através de campos magnéticos que posteriormente será  aproveitada em umas das técnicas de armazenamento de informação. Em um determinado átomo, a tendência dos elétrons é de se emparelharem de modo que tenhamos sempre dois deles girando em sentidos opostos (com spins contrários), fazendo com que seus efeitos se cancelam, esses efeitos podem ser comparados aos de uma corrente elétrica que cria um campo magnético, assim, dizemos que os efeitos de um par de elétrons paralelos se cancelam em uma substância que possua número par de elétrons em suas órbitas e os tenha emparelhado sofre efeitos magnéticos mínimos, tais tipos de estruturas são as substâncias que não sofrem a atração dos imãs ou não magnéticas.

Magneto-resistência (MR) e Magneto-Resistência Gigante (GMR) na Spintrônica

Basicamente esses fenômenos são desenvolvidos através de campos magnéticos que modificam  a resistência elétrica do material, isso foi descrito por  Lord Kelvin em 1857, a ação do campo magnético altera a forma como os elétrons se chocam com os átomos, utilizando a lógica e entendendo a resistência elétrica em  seu nível mais baixo de abstração podemos entender que quanto mais os elétrons se chocam com os átomos  em um material, mais dificuldade de deslocamento essa corrente elétrica irá ter , e posteriormente a resistência elétrica deste material é alta  e assim vice e versa. Entretanto esse efeito não é desenvolvido com muita eficiência em qualquer material, então posteriormente foram se desenvolvendo materiais que apresentavam uma magneto-resistência muito mais elevada que foi denominada como magneto – resistência gigante GMR que foi prêmio nobel em 2007,  quando a corrente elétrica passa por este tipo de material que têm diversas etapas de materiais depositados,  os elétrons serão rebatidos de formas distintas, sendo assim, os elétrons que possuem spins paralelos à magnetização do material rebatem menos do que aqueles  com os spins que não estão paralelos. Isso significa que por esse primeiro material passam elétrons com spins que têm predominantemente os spins paralelos à magnetização do primeiro material.

Efeito da Magneto-resistência Gigante

Efeito da Magneto-resistência Gigante

A partir deste fenômeno, na spintrônica podemos orientar domínios específicos conforme o bit desejado, modificando a resistência elétrica do material através de campos magnéticos, como os domínios são extremamente pequenos e compactos da ordem de nanômetros podemos desenvolver  dispositivos de armazenamentos com uma densidade extremamente elevada e leituras extremamente rápidas que apenas com um toque no botão liga do computador, ele irá desenvolver um “boot” extremamente rápido que em apenas 1 segundo você terá todo o sistema pronto para uso.

Assim como um chip que filtra “elétrons” e deixa passar os que têm o spin no mesmo sentido, a ideia é posteriormente poder controlar o sentido de giro ou filtrar o mesmo em todos os tipos de materiais, assim como estudos já desenvolvidos têm confirmado o efeito spintrônico em moléculas orgânicas como em outros tipos de materiais, gerando assim a capacidade de armazenar e processar informações em qualquer tipo de material podendo desenvolver processos e produtos em qualquer tipo de dispositivo com autonomia e poder computacional.

Todos esses avanços  contribuem para uma era tecnológica de um volume de dados cada vez e maior que exige mais processamento, e inteligência distribuída dessa forma também surge o conceito do computador quântico, se todas as tecnologias e estudos forem validados no futuro bem próximo todos nós presenciaremos computadores potentes com incríveis capacidade cognitivas e de aprendizado, além de desenvolver análises com imensos volumes de dados assim como a área de big data  têm se desenvolvido.

equ

Dedução de possibilidades qubits

Uma pequena análise dedutiva demonstrada na figura acima mostra o número  de informações que pode ser alcançado através de um elemento que possa processar os estados quânticos de cada elétron, através de um pulso de 8 bits (1 byte) de 5 Vcc  – 250 mA, podemos deduzir partindo do principio que 1 Ampére é igual à 1 Columb por segundo, através disso podemos calcular a quantidade de elétrons  tendo a  carga elementar de elétrons podemos calcular a quantidade de elétrons elevando a base podemos determinar a quantidade de combinações através de análise combinatória gerando qubits que são bits que utilizam estados quânticos . Da mesma forma que como se trata do mundo quântico onde nada é simples existem duas dificuldades que esbarram em postulados estabelecidos na spintrônica, o primeiro é que segundo a física quântica não podemos ler o estado de uma partícula sem alterar o mesmo, segundo é que o elétron tem o comportamento hora como partícula hora como onda, sendo assim, resta ainda um grande desafio para à ciência e pesquisadores da spintrônica.

Compartilhe issoShare on FacebookTweet about this on TwitterPin on PinterestShare on StumbleUponShare on LinkedInShare on RedditEmail this to someoneShare on Google+

Escrito por Kawann Costa

Engenheiro Mecatrônico obcecado em entender como as coisas funcionam em seus níveis mais baixos de abstração.

Seu comentário é bem vindo

O seu endereço de email não será publicado. Campos obrigatórios marcados com *

*


A spintrônica vem possibilitando semicondutores cada vez menores e é responsável por diversos avanços na computação e na fabricação de eletrônicos.