Pequenos redemoinhos magnéticos podem transformar o armazenamento de memória em computadores de alto desempenho.
Os ímãs geram campos invisíveis que atraem certos materiais. Um exemplo comum são os ímãs de geladeira. Muito mais importante para nossa vida cotidiana, os ímãs também podem armazenar dados em computadores. Explorando a direção do campo magnético (digamos, para cima ou para baixo), as barras magnéticas microscópicas podem armazenar um bit de memória como um zero ou um – a linguagem dos computadores.
Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) querem substituir os ímãs de barra por minúsculos vórtices magnéticos. Tão pequenos quanto bilionésimos de metro, esses vórtices são chamados de skyrmions, que se formam em certos materiais magnéticos. Eles poderiam um dia inaugurar uma nova geração de microeletrônica para armazenamento de memória em computadores de alto desempenho.
“Os ímãs de barra na memória do computador são como cadarços amarrados com um único nó; quase não requer energia para desfazê-los”, disse Arthur McCray, um estudante de pós-graduação da Northwestern University que trabalha na Divisão de Ciência de Materiais (MSD) de Argonne. E qualquer imã de barra com defeito devido a alguma interrupção afetará os outros.
“Em contraste, os skyrmions são como cadarços amarrados com um nó duplo. Não importa o quanto você puxe um fio, os cadarços permanecem amarrados.” Os skyrmions são, portanto, extremamente estáveis a qualquer interrupção. Outra característica importante é que os cientistas podem controlar seu comportamento alterando a temperatura ou aplicando uma corrente elétrica.
Os cientistas têm muito a aprender sobre o comportamento dos skyrmions em diferentes condições. Para estudá-los, a equipe liderada por Argonne desenvolveu um programa de inteligência artificial (IA) que funciona com um microscópio eletrônico de alta potência no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM), uma instalação do usuário do DOE Office of Science em Argonne. O microscópio pode visualizar skyrmions em amostras em temperaturas muito baixas. Esta pesquisa apareceu na Nano Letters.
O material magnético da equipe é uma mistura de ferro, germânio e telúrio. Em estrutura, esse material é como uma pilha de papel com muitas folhas. Uma pilha dessas folhas contém muitos skyrmions, e uma única folha pode ser destacada do topo e analisada em instalações como a CNM.
“O microscópio eletrônico CNM, juntamente com uma forma de IA chamada aprendizado de máquina, nos permitiu visualizar as folhas de skyrmion e seu comportamento em diferentes temperaturas”, disse Yue Li, pós-doutorando indicado no MSD.
a -170 °C. Pontos brilhantes indicam ordem. Crédito: Laboratório Nacional Argonne.
“Nossa descoberta mais intrigante foi que os skyrmions estão organizados em um padrão altamente ordenado a -70 °C”, disse Charudatta Phatak, cientista de materiais e líder do grupo no MSD. “Mas conforme esfriamos a amostra, o arranjo do skyrmion muda.” Como bolhas na espuma da cerveja, alguns skyrmions ficaram maiores, alguns menores, alguns se fundiram e alguns desapareceram.
A -170 °C, a camada atingiu um estado de desordem quase completa, mas a ordem voltou quando a temperatura voltou a -70 °C. Esta transição de ordem-desordem com mudança de temperatura poderia ser explorada em microeletrônica futura para armazenamento de memória.
“Estimamos que a eficiência energética do skyrmion pode ser de 100 a 1.000 vezes melhor do que a memória atual nos computadores de alto desempenho usados em pesquisas”, disse McCray.
A eficiência energética é essencial para a próxima geração de microeletrônica. A microeletrônica de hoje já responde por cerca de 10% da eletricidade mundial. E esse número pode dobrar até 2030. Mais eletrônicos com eficiência energética devem ser encontrados.
“Temos um longo caminho a percorrer antes que os skyrmions encontrem seu caminho para qualquer futura memória de computador com baixo consumo de energia”, disse Phatak. “No entanto, esse tipo de nova forma radical de pensar sobre a microeletrônica é a chave para os dispositivos da próxima geração.”
Além de Phatak, Li e McCray, os autores de Argonne incluem Amanda K. Petford-Long, Daniel P. Phelan e Xuedan Ma. Outros autores incluem Rabindra Basnet, Krishna Pandey e Jin Hu da Universidade de Arkansas.
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