Pesquisadores descobrem uma nova maneira de controlar ímãs

O sistema reversível pode inverter a orientação magnética das partículas com uma pequena voltagem; pode levar a um armazenamento de dados mais rápido e sensores menores.


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A maioria dos ímãs que encontramos diariamente é feita de materiais “ferromagnéticos”. Os eixos magnéticos norte-sul da maioria dos átomos nesses materiais estão alinhados na mesma direção, de modo que sua força coletiva é forte o suficiente para produzir atração significativa. Esses materiais formam a base para a maioria dos dispositivos de armazenamento de dados no mundo de alta tecnologia de hoje.

Menos comuns são ímãs baseados em materiais ferrimagnéticos, com um “i”. Nestes, alguns dos átomos estão alinhados em uma direção, mas outros estão alinhados precisamente na direção oposta. Como resultado, o campo magnético geral que eles produzem depende do equilíbrio entre os dois tipos - se houver mais átomos apontados para um lado do que para o outro, essa diferença produz um campo magnético líquido nessa direção.

Em princípio, por causa de suas propriedades magnéticas serem fortemente influenciadas por forças externas, os materiais ferrimagnéticos devem ser capazes de produzir armazenamento de dados ou circuitos lógicos que são muito mais rápidos e podem empacotar mais dados em um determinado espaço do que os ferromagnetos convencionais de hoje. Mas até agora não houve uma maneira simples, rápida e confiável de mudar a orientação desses ímãs, a fim de mudar de 0 para 1 em um dispositivo de armazenamento de dados.

Pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram tal método, uma maneira de mudar rapidamente a polaridade magnética de um ferriímã 180 graus, usando apenas uma pequena tensão aplicada. A descoberta pode inaugurar uma nova era de lógica ferrimagnética e dispositivos de armazenamento de dados, dizem os pesquisadores.

As descobertas aparecem na revista Nature Nanotechnology, em um artigo do Mantao Huang, pós-doutorando, Geoffrey Beach, professor de ciência e tecnologia de materiais do MIT, e Bilge Yildiz, professor de ciência e tecnologia nuclear, junto com 15 outros no MIT e em Minnesota, Alemanha, Espanha e Coréia.


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O novo sistema usa uma película de material chamado cobalto gadolínio, parte de uma classe de materiais conhecida como ferriímãs de metais de transição de terras raras. Nele, os dois elementos formam redes entrelaçadas de átomos, e os átomos de gadolínio têm preferencialmente seus eixos magnéticos alinhados em uma direção, enquanto os átomos de cobalto apontam para o lado oposto. O equilíbrio entre os dois na composição da liga determina a magnetização geral do material.

Mas os pesquisadores descobriram que, usando uma voltagem para dividir as moléculas de água ao longo da superfície do filme em oxigênio e hidrogênio, o oxigênio pode ser liberado enquanto os átomos de hidrogênio - ou mais precisamente seus núcleos, que são prótons únicos - podem penetrar profundamente no material e isso altera o equilíbrio das orientações magnéticas. A mudança é suficiente para mudar a orientação do campo magnético líquido em 180 graus - exatamente o tipo de reversão completa necessária para dispositivos como memórias magnéticas.

“Descobrimos que, ao carregar hidrogênio nesta estrutura, podemos reduzir muito o momento magnético do gadolínio”, explica Huang. O momento magnético é uma medida da força do campo produzida pelo alinhamento do eixo de rotação do átomo.

Como a mudança é realizada apenas por uma mudança de voltagem, em vez de uma corrente elétrica aplicada que causaria aquecimento e, portanto, desperdiçaria energia por meio da dissipação de calor, este processo é altamente eficiente em termos de energia, diz Beach, que é codiretor da Pesquisa de Materiais do MIT Laboratório.

O processo de bombear núcleos de hidrogênio no material acaba sendo notavelmente benigno, diz ele. “Você pensaria que se pegasse algum material e bombeasse alguns outros átomos ou íons naquele material, você o expandiria e quebraria. Mas acontece que para esses filmes, e em virtude do fato de que o próton é uma entidade tão pequena, ele pode se infiltrar na maior parte desse material sem causar o tipo de fadiga estrutural que leva à falha”.

Essa estabilidade foi comprovada por meio de testes exaustivos. O material foi submetido a 10.000 inversões de polaridade sem sinais de degradação, disse Huang.

O material tem propriedades adicionais que podem encontrar aplicações úteis, diz Beach. O alinhamento magnético entre os átomos individuais no material funciona um pouco como molas, explica ele. Se um átomo começa a se mover para fora do alinhamento com os outros, essa força semelhante a uma mola o puxa de volta. E quando os objetos são conectados por molas, eles tendem a gerar ondas que podem viajar ao longo do material. “Para este material magnético, são chamadas de ondas de spin. Você tem oscilações de magnetização no material, e eles podem ter frequências muito altas”.

Na verdade, eles podem oscilar para cima na faixa de terahertz, diz ele, “o que os torna excepcionalmente capazes de gerar ou detectar radiação eletromagnética de frequência muito alta. Poucos materiais podem fazer isso”.

Aplicações relativamente simples desse fenômeno, na forma de sensores, podem ser possíveis dentro de alguns anos, diz Beach, mas as mais complexas, como circuitos de dados e lógicos, levarão mais tempo, em parte porque todo o campo da tecnologia baseada em ferrimagnetismo é relativamente novo.

A metodologia básica, além desses tipos específicos de aplicações magnéticas, poderia ter outros usos também, diz ele. “É uma forma de controlar as propriedades dentro da maior parte do material por meio de um campo elétrico”, explica. “Isso por si só é bastante notável.” Outro trabalho foi feito para controlar as propriedades da superfície usando tensões aplicadas, mas o fato de que essa abordagem de bombeamento de hidrogênio permite uma alteração tão profunda permite “o controle de uma ampla gama de propriedades”, diz ele.

“A comutação controlada por voltagem tem sido procurada para reduzir o consumo de energia dos dispositivos de rotação, que é o mecanismo central da tecnologia de silício moderna”, diz Hyunsoo Yang, professor de engenharia elétrica e de computação da Universidade Nacional de Cingapura, que não foi associado a este estudo. “Este trabalho aplicou o conceito de controle de tensão em um ferriímã para alternar a sub-rede dominante, levando a uma escrita de bit magnética eficaz”, acrescenta. Se a voltagem necessária puder ser reduzida e a velocidade melhorada, diz ele, este novo método pode "revolucionar o campo potencialmente".

*Artigo original publicado em MIT News.




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