Aproximando-se do regime terahertz: ímãs quânticos de temperatura ambiente mudam de estado trilhões de vezes por segundo

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Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução da junção antiferromagnética mostrando camadas de diferentes materiais (esquerda). Diagrama mostrando as propriedades magnéticas dos materiais (direita). CRÉDITO ©2023 Nakatsuji et al.

Abstrato:
Uma classe de dispositivos de memória não volátil, chamada MRAM, baseada em materiais magnéticos quânticos, pode oferecer um desempenho mil vezes superior ao dos atuais dispositivos de memória de última geração. Foi demonstrado anteriormente que os materiais conhecidos como antiferromagnetos armazenam estados de memória estáveis, mas eram difíceis de ler. Este novo estudo abre uma maneira eficiente de ler os estados da memória, com potencial para fazê-lo de forma incrivelmente rápida.

Aproximando-se do regime terahertz: ímãs quânticos de temperatura ambiente mudam de estado trilhões de vezes por segundo

Tóquio, Japão | Postado em 20 de janeiro de 2023

Você provavelmente pode piscar cerca de quatro vezes por segundo. Você poderia dizer que essa frequência de piscar é de 4 hertz (ciclos por segundo). Imagine tentar piscar 1 bilhão de vezes por segundo, ou a 1 gigahertz, seria fisicamente impossível para um ser humano. Mas esta é a atual ordem de grandeza na qual os dispositivos digitais contemporâneos de ponta, como a memória magnética, mudam de estado à medida que as operações são realizadas. E muitas pessoas desejam forçar a fronteira mil vezes mais, para o regime de um bilião de vezes por segundo, ou terahertz.

A barreira para a realização de dispositivos de memória mais rápidos pode ser os materiais utilizados. Os atuais chips MRAM de alta velocidade, que ainda não são tão comuns a ponto de aparecerem em computadores domésticos, utilizam materiais magnéticos ou ferromagnéticos típicos. Eles são lidos usando uma técnica chamada magnetorresistência de tunelamento. Isto requer que os constituintes magnéticos do material ferromagnético estejam alinhados em arranjos paralelos. No entanto, este arranjo cria um forte campo magnético que limita a velocidade com que a memória pode ser lida ou gravada.

“Fizemos um avanço experimental que ultrapassa esta limitação, e isso graças a um tipo diferente de material, os antiferromagnetos”, disse o professor Satoru Nakatsuji, do Departamento de Física da Universidade de Tóquio. “Os antiferromagnetos diferem dos ímãs típicos em muitos aspectos, mas, em particular, podemos organizá-los de outras maneiras além de linhas paralelas. Isto significa que podemos negar o campo magnético que resultaria de arranjos paralelos. Pensa-se que a magnetização dos ferromagnetos é necessária para o tunelamento da magnetorresistência para leitura da memória. Surpreendentemente, no entanto, descobrimos que também é possível uma classe especial de antiferromagnetos sem magnetização, e esperamos que possa funcionar em velocidades muito altas.”

Nakatsuji e sua equipe acham que a mudança de velocidades na faixa dos terahertz é alcançável, e que isso também é possível à temperatura ambiente, enquanto as tentativas anteriores exigiam temperaturas muito mais frias e não produziram resultados tão promissores. Porém, para melhorar sua ideia, a equipe precisa refinar seus dispositivos, e melhorar a forma como os fabrica é fundamental.

“Embora os constituintes atômicos dos nossos materiais sejam bastante familiares – manganês, magnésio, estanho, oxigênio e assim por diante – a maneira como os combinamos para formar um componente de memória utilizável é nova e desconhecida”, disse o pesquisador Xianzhe Chen. “Crescemos cristais no vácuo, em camadas incrivelmente finas, usando dois processos chamados epitaxia por feixe molecular e pulverização catódica por magnetron. Quanto maior o vácuo, mais puras serão as amostras que podemos cultivar. É um procedimento extremamente desafiador e se o melhorarmos, tornaremos nossas vidas mais fáceis e também produziremos dispositivos mais eficazes.”

Esses dispositivos de memória antiferromagnética exploram um fenômeno quântico conhecido como emaranhamento, ou interação à distância. Mas, apesar disso, esta pesquisa não está diretamente relacionada ao campo cada vez mais famoso da computação quântica. No entanto, os investigadores sugerem que desenvolvimentos como este podem ser úteis ou mesmo essenciais para construir uma ponte entre o paradigma atual da computação eletrónica e o campo emergente dos computadores quânticos.

Financiamento:
Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo Programa JST-Mirai (no. JPMJMI20A1), pelo Programa ST-CREST (nos. JPMJCR18T3, JST-PRESTO e JPMJPR20L7) e JSPS KAKENHI (nos. 21H04437 e 22H00290).

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• Fonte: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57276