Eletrônica

Spintronics permitirá chips frios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/08/2003

Embora microprocessadores Pentium e Athlon tenham apenas alguns centímetros quadrados de área, se medirmos todas as minúsculas conexões que formam as ligações internas entre os seus milhões de transistores, teremos cerca de um quilômetro e meio de fios de cobre. Fios finíssimos é claro, mas fios que carregam grandes quantidades de energia, além de ficaram muitíssimo próximos uns dos outros. É por isso que, a cada lançamento de um processador mais rápido, é necessário também o lançamento de dissipadores e ventiladores mais potentes, capazes de dissipar o enorme calor gerado pela perda de energia que acontece quando os elétrons passam de um transistor para outro.

Mas essa solução, o lançamento de "coolers" mais potentes, não pode ser encarada como solução definitiva. Muito menos quando se trata de computadores e outros dispositivos portáteis, como PDAs e telefones celulares. Se a indústria eletrônica quiser manter o ritmo do desenvolvimento tecnológico apresentado nos últimos anos, quando a quantidade de transistores que cabe em um chip dobra a cada 18 meses (a famosa Lei de Moore), deverá ser dada uma solução mais eficiente para o problema.

É exatamente esta solução que físicos das Universidades Stanford (Estados Unidos) e Tóquio (Japão), trabalhando conjuntamente, afirmaram ter encontrado. Os cientistas Shoucheng Zhang, Naoto Nagaosa e Shuichi Murakami publicaram seu trabalho na edição de 7 de Agosto da Revista Science. Eles afirmam ter encontrado uma forma para resolver o problema da dissipação de calor. Segundo eles, a solução está na manipulação de uma propriedade dos elétrons conhecida como "spin", ou orientação. A orientação do elétron é tipicamente descrita por meio de seu estado quântico, como "up" ou "down" (para cima ou para baixo).

A Eletrônica se fundamenta na Lei de Ohm, que estabelece que a aplicação de uma voltagem em determinados materiais resultará na criação de uma corrente elétrica. Isto se deve ao fato de que os elétrons transmitem sua carga através desse material. Mas a Lei de Ohm também descreve a inevitável conversão de energia elétrica em calor quando os elétrons encontram resistência ao passar através dos materiais.

"Nós descobrimos o equivalente à Lei de Ohm para a 'spintronics' - um campo emergente da ciência que trata da manipulação do 'spin´ dos elétrons com objetivos práticos," explica Zhang. "Ao contrário da Lei de Ohm para a Eletrônica, a nova 'Lei de Ohm' que nós descobrimos estabelece que o 'spin' do elétron pode ser transportado sem qualquer perda de energia ou dissipação. Mais ainda, esse efeito ocorre à temperatura ambiente em materiais já largamente utilizados na indústria de semicondutores, como o arseneto de gálio. Isto é importante porque poderá permitir a construção de uma nova geração de equipamentos."

Zhang utiliza os movimentos de rotação e translação da Terra para explicar duas importantes características dos elétrons: seu centro de massa e sua orientação ou "spin": "A Terra tem dois tipos de movimento. Um é que o seu centro de massa move-se ao redor do Sol. O outro é que ela também gira em torno de si mesma, ou rotaciona. Seu giro em torno do Sol nos dá os anos e seu giro em torno de si mesma nos dá os dias. O elétron tem duas propriedades similares." Enquanto a eletrônica utiliza a voltagem para movimentar o centro de massa de um elétron, a "spintronics" utiliza a voltagem para manipular sua rotação (veja mais).

Em seu trabalho teórico, os cientistas prevêem que a aplicação de um campo elétrico irá fazer com que os elétrons girem para fluir juntos em uma corrente. A força elétrica aplicada, a rotação e a corrente de rotação, alinham-se em três direções diferentes que são perpendiculares entre si. "Isto é algo extraordinário," continua Zhang. "Eu empurro você para frente e você se move de lado e não na direção na qual eu o estou empurrando."

Até agora, apenas supercondutores apresentam a propriedade de conduzir eletricidade sem qualquer dissipação. E isto sob temperaturas extremamente baixas - ao redor de -150º C. Ao contrário dos supercondutores eletrônicos sendo pesquisados em inúmeros laboratórios ao redor do mundo, os físicos prevêem que a corrente derivada do "spin" do elétron irá fluir sem dissipação e a temperatura ambiente.

O desafio agora é construção de aparatos que permitam a demonstração em laboratório da nova teoria. Demonstrar os efeitos agora previstos exigirá o desenvolvimento de materiais adequados, além de sensores precisos o suficiente para efetuar o monitoramento da rotação dos elétrons.