Orbitrônica poderá dar nova vida à eletrônica e à miniaturização

David Orenstein - 03/08/2005

Spintrônica

Por cerca de 40 anos, a indústria de semicondutores tem sido capaz de encolher continuamente os componentes eletrônicos no interior dos chips de silício, dando cada vez mais desempenho aos computadores. Agora, os limites fundamentais da Física já estão no campo de visão da tecnologia atual, o que tem feito a indústria clamar ao mundo das pesquisas por uma alternativa.

Em um artigo publicado neste 1º de Agosto na edição online do periódico Physical Review Letters, físicos da Universidade de Stanford apresentaram ao mundo a "orbitrônica", uma alternativa à eletrônica convencional que poderá, no futuro, permitir aos engenheiros ultrapassar esses limites utilizando o barato e familiar silício.

"A miniaturização dos chips atuais é limitada pela dissipação de energia," afirma Shoucheng Zhang, professor de física e co-autor do artigo. "Até 40 por cento da energia nos circuitos está sendo perdida na forma de calor," o que, segundo ele, irá eventualmente tornar a miniaturização uma tarefa impossível.

Spintrônica

Nos anos recentes, a busca por uma alternativa aos semicondutores convencionais resultou na descoberta de uma nanotecnologia chamada "spintrônica", que utiliza uma propriedade dos elétrons, chamada "spin", para produzir um novo tipo de corrente que os circuitos integrados podem processar como informação.

O "spin" refere-se à forma como o elétron gira ao redor de seu eixo, um fenômeno similar à rotação da Terra. Em 2003, Zhang e seus colegas da Universidade de Tóquio demonstraram que a produção e manipulação de correntes do spin de elétrons alinhados com um campo elétrico não envolveriam perdas na forma de calor - uma técnica que eles batizaram de spintrônica.

Zhang agora é co-diretor do Centro IBM-Stanford de Ciências e Aplicações em Spintrônica, junto com seus colegas James Harris e Stuart Parkin. O Centro, criado em 2004, está pesquisando várias aplicações da spintrônica, incluindo supercondutores a temperatura ambiente e computadores quânticos.

Mudando os ângulos

Apesar de todo o seu potencial, uma desvantagem da spintrônica é que ela não funciona muito bem com átomos leves, como o silício, o preferido da indústria microeletrônica. É aí que entra a nova pesquisa de Zhang. No artigo agora publicado, ele e seus estudantes B. Andrei Bernevig e Taylor L. Hughes mostram como, em teoria, o silício pode ser utilizado em uma tecnologia parecida, que eles batizaram de orbitrônica. Utilizando a orbitrônica, afirma Zhang, os fabricantes de chips de computadores poderão ter os benefícios da spintrônica sem ter que abandonar o silício.

Tanto a orbitrônica quanto a spintrônica envolvem uma quantidade física chamada momento angular, uma propriedade de qualquer massa que se mova ao redor de uma posição fixa, seja essa massa um pião ou um elétron.

Da mesma forma que uma corrente elétrica, que consiste no fluxo de elétrons negativamente carregados, em um circuito integrado convencional, uma corrente orbital consiste de um fluxo de elétrons com seus momentos angulares alinhados, formando um circuito orbitrônico.

"Se você empurrar os elétrons para a frente com um campo elétrico, será então gerada uma corrente orbital perpendicular a essa corrente elétrica," explica Zhang. "Ela não terá carga, mas terá um momento angular orbital perpendicular à direção na qual os elétrons estiverem se movendo."

Além disso, ele explica, com a orbitrônica, o silício poderá até mesmo ser capaz de fornecer uma corrente útil sem perdas na forma de calor, e isso a temperatura ambiente. Algumas tecnologias alternativas exigem temperaturas criogênicas, que são caras e difíceis de se manter, acrescenta ele.

Da teoria à prática

Os autores destacam que a orbitrônica ainda tem um longo caminho a percorrer, antes de se tornar uma tecnologia que possa ser aplicada na indústria de semicondutores. "Isto é novo demais," reconhece Zhang. "Quando alguma coisa será realmente criada é difícil de dizer. Há muitas dificuldades no mundo prático."

Harris concorda, ressaltando que a spintrônica deverá exigir décadas para se tornar uma tecnologia comercial madura. "Isto não irá acontecer imediatamente, nem mesmo se nós tivermos um sucesso estrondoso," acrescenta ele.

Mas se a orbitrônica vier a se tornar realmente uma tecnologia viável no processo produtivo, ela será uma bênção para a indústria, que poderá continuar trabalhando com o silício. "Há um investimento gigantesco no processamento do silício. Nós não queremos mudar para um novo material da noite para o dia," conclui ele.

Mais tópicos