Uma equipe liderada por Ryo Shimano, da Universidade de Tóquio, observou diretamente como os spins dos elétrons giram dentro de um antiferromagneto, um material no qual os spins opostos se cancelam. Ao capturar esse processo em ação, os pesquisadores descobriram dois mecanismos de comutação independentes. Um descreve um caminho prático em direção a dispositivos lógicos e de memória magnética não volátil e ultrarrápidos que poderiam potencialmente superar a tecnologia atual. Os resultados foram publicados em materiais naturais.
De cartões de papel perfurados e hastes de metal a tubos de vácuo e transistores, a computação moderna sempre dependeu de sistemas físicos para representar 0s e 1s. À medida que a procura por poder de processamento continua a aumentar, os investigadores procuram alternativas mais rápidas e eficientes. Os antiferromagnetos oferecem uma alternativa promissora. Embora sejam magneticamente neutros devido ao equilíbrio de spin, suas estruturas magnéticas internas ainda podem ser usadas para armazenar informações digitais de novas maneiras.
“Por muitos anos”, disse Shimano, “os cientistas acreditaram que os antiferromagnetos, como o manganês,3Sn (tritina manganês) pode alterar sua magnetização com extrema rapidez. No entanto, não está claro se esta comutação não volátil pode ser realizada em algumas dezenas de picossegundos, nem como a magnetização realmente muda durante o processo de comutação. “
Calor ou corrente? Desvendando o mistério da mudança
Uma questão central é o que exatamente impulsiona a reversão do spin. A corrente inverte o spin diretamente ou o calor gerado pela corrente causa essa mudança?
Para descobrir, a equipe desenvolveu um experimento para observar todo o processo se desenrolar em tempo real. Eles fizeram filmes de manganês3Sn e envia um breve pulso elétrico através dele. Ao mesmo tempo, eles iluminaram a amostra com flashes ultrarrápidos precisamente cronometrados, ajustando o atraso entre o pulso de corrente e o pulso de luz. Este método permitiu-lhes montar uma sequência resolvida no tempo mostrando como a magnetização evolui de momento a momento.
“A parte mais desafiadora do projeto”, lembra Shimano, “foi medir as pequenas alterações no sinal magnetoóptico. No entanto, para nossa surpresa, depois de estabelecermos o método correto, finalmente conseguimos observar claramente o processo de comutação.”
Dois mecanismos distintos de mudança de spin revelados
O experimento produziu um resultado sem precedentes: uma visão quadro a quadro das mudanças nos padrões magnéticos durante a comutação. As imagens mostram que esse comportamento depende da intensidade da corrente aplicada.
Quando a corrente é forte, a chave é acionada por efeitos térmicos. No entanto, sob condições de corrente mais fracas, a inversão do spin envolve pouco aquecimento. A segunda rota é particularmente importante porque propõe uma forma de controlar rápida e eficientemente o estado magnético sem desperdiçar calor.
Este mecanismo de comutação atérmica poderia servir de base para dispositivos spintrônicos de próxima geração para computação, comunicações e eletrônica avançada. Para a Shimano, estas descobertas apontam para novas áreas da ciência que ainda precisam ser exploradas.
Quebrando os limites da comutação de picossegundos
“Nossa observação atual mais rápida da comutação elétrica Mn₃Sn resolvida no tempo é de 140 picossegundos, o que é limitado principalmente pelo quão curtos os pulsos de corrente podem ser gerados em nossa configuração de dispositivo. No entanto, nossos resultados mostram que, sob as condições certas, o próprio material pode mudar mais rápido. No futuro, pretendemos explorar esses limites finais criando pulsos de corrente mais curtos e otimizando as estruturas do dispositivo. “
Embora as medições de corrente tenham um limite superior de 140 picossegundos, o limite real de velocidade do material pode ser menor. Ao melhorar as ferramentas experimentais e o design dos equipamentos, os pesquisadores esperam revelar quão rápida a comutação de spin antiferromagnético pode eventualmente ser alcançada.
