A capacidade do cérebro de processamento ainda é um mistério para a ciência, mas uma coisa é certa: ele depende inteiramente do oxigênio para funcionar. Agora, pesquisadores de Cingapura, China e EUA descobriram que um nanomaterial chamado ferrita de bismuto pode elevar nossas computações eletrônicas a um novo patamar, imitando o cérebro com base no mesmo elemento vital – o oxigênio.

O material possui um comportamento intrínseco de memória graças ao movimento de átomos de oxigênio em seu interior, tornando-se um memoristor – componente fundamental que memoriza as correntes elétricas que passaram por ele anteriormente, mudando sua resistência elétrica a cada corrente que passa por ele. Esse comportamento é semelhante ao das sinapses e neurônios do cérebro, viabilizando uma computação mais eficiente e poderosa. A ferrita de bismuto já é pesquisada para aplicações de ponta em computação e pode revolucionar a computação neuromórfica.
O professor Evgeny Tsymbal, da Universidade de Nebraska-Lincoln, afirma que existem evidências claras de que as lacunas de oxigênio são responsáveis por algumas das propriedades únicas do cérebro. E agora, uma equipe de pesquisadores de Cingapura, China e EUA descobriu como usar o oxigênio para construir e controlar as nanocamadas de um material chamado ferrita de bismuto, que apresenta um comportamento de memória semelhante ao dos neurônios e sinapses do cérebro. Isso abre caminho para o uso do material em eletrônicos de última geração.

Memória não volátil
Diferentemente das técnicas convencionais de leitura e escrita de dados digitais, que se limitam a utilizar apenas o binário de 1s e 0s, as paredes da ferrita de bismuto podem utilizar diversos “dialetos eletrônicos”, o que permite armazenar ainda mais dados. Essas paredes também são capazes de passar picos elétricos que podem depender dos sinais que foram enviados anteriormente, tornando o material mais adaptável e energeticamente eficiente, assim como a memória humana.
Além disso, o material retém seus dados mesmo quando é desligado, similarmente à capacidade do cérebro de manter memórias mesmo durante o sono. Essa propriedade pode permitir que futuros dispositivos eletrônicos liguem com a mesma facilidade e rapidez de uma lâmpada.
A equipe responsável pela descoberta demonstrou como construir e controlar o oxigênio nas nanocamadas do material, o que possibilita seu uso em eletrônicos de última geração. A ferrita de bismuto é um material ferroelétrico, o que significa que a polarização de suas cargas elétricas pode ser invertida por meio da aplicação de uma pequena tensão elétrica, escrevendo um 1 ou 0 no material. Esse processo ocorre por meio de uma interação entre a ferroeletricidade e a eletroquímica, mais especificamente, o movimento das lacunas de oxigênio controla o movimento das paredes de domínio no material.

Oxigênio
O processo de gravação e leitura de dados em um memoristor ocorre em uma região de material conhecida como domínio, onde duas polaridades opostas se encontram para formar uma parede. Essa parede ocupa apenas uma fração do espaço destinado aos próprios domínios, e a espessura de poucos átomos dessas paredes as tornam candidatas ideais para buscar novas maneiras de espremer mais funcionalidades e dados em dispositivos cada vez menores. No entanto, controlar esse processo em escala atômica tem sido um desafio. A equipe descobriu que a aplicação de apenas 1,5 volts em um filme de ferrita de bismuto produz uma parede de domínio paralela à superfície do material, com uma resistência elétrica que pode ser lida como um dado. Quando a tensão é retirada, a parede e seu estado de dados permanecem intactos.
Ao aumentar gradualmente a tensão, a parede de domínio começou a migrar para baixo no material. Embora esse comportamento já tenha sido observado em outros ferroelétricos, na ferrita de bismuto a parede permanece paralela à superfície e migra uma camada atômica de cada vez. Além disso, a posição da camada corresponde a mudanças em sua resistência elétrica, que cai em três etapas distintas. Esses três estados de dados mais legíveis surgem entre a aplicação de 8 e 10 volts, permitindo que a ferrita de bismuto armazene trits em vez de apenas bits, indo além da lógica binária.
Esse comportamento incomum ocorre quando átomos de oxigênio negativamente carregados se deslocam pela camada, deixando vacâncias de oxigênio. Essas vacâncias, e não exatamente os átomos de oxigênio, são exploradas para gravar os dados. Esse efeito, baseado em vacâncias de nitrogênio, já é usado como qubit para computadores quânticos e várias outras tecnologias de sensoriamento de alta precisão. A equipe precisou desenvolver uma nova técnica para observar e manipular as camadas em nível atômico, o que permitiu descobrir essas propriedades únicas da ferrita de bismuto.
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