Descoberta forma de controlar ímãs eletricamente para computação e armazenamento

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/09/2021

As setas indicam as magnetizações das matrizes de átomos de gadolínio (vermelho) e cobalto (azul). Uma tensão aplicada aos eletrodos na parte superior (manchas amarelas) carrega hidrogênio no material magnético, mudando a magnitude relativa das magnetizações abaixo dele, invertendo a direção do campo magnético geral nessa área.
[Imagem: Mantao Huang et al. - 10.1038/s41565-021-00940-1]

Ferrimagnéticos

Uma equipe internacional de cientistas finalmente descobriu como controlar uma classe muito especial de materiais magnéticos - uma classe de magnetos com grande interesse tecnológico.

A maioria dos ímãs que conhecemos 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 uma atração significativa. Esses materiais formam a base da maioria dos dispositivos de armazenamento de dados que conhecemos.

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

Por conta de suas propriedades magnéticas serem fortemente influenciadas por forças externas, os materiais ferrimagnéticos devem ser capazes de armazenar dados ou mesmo viabilizar circuitos lógicos magnéticos, em vez de elétricos, que são muito mais rápidos e capazes de acomodar mais dados em um determinado espaço do que os ferromagnetos convencionais de hoje, além de não perderem os dados na falta de energia.

Agora - e finalmente - Mantao Huang e seus colegas conseguiram desenvolver uma maneira simples, rápida e confiável de mudar a polaridade desses ímãs, o que significa mudar de 0 para 1 em um dispositivo de armazenamento de dados, abrindo caminho para uma nova era de lógica magnética e dispositivos de armazenamento de dados, diz a equipe da Alemanha, Coreia do Sul, Espanha e EUA.

A migração de prótons (núcleos de hidrogênio) promove uma inversão completa (180°) da polarização magnética.
[Imagem: Mantao Huang]

Cobalto e gadolínio

Mantao usou uma película de um material chamado gadolínio-cobalto (GdCo), parte de uma classe de materiais conhecida como ferri-ímãs de metais de transição de terras raras.

Nesse material, os dois elementos (cobalto e gadolínio) formam redes entrelaçadas, com os átomos de gadolínio tendo seus eixos magnéticos preferencialmente 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.

O GdCo foi combinado com uma camada de óxido de gadolínio (GdOx) como eletrólito de estado sólido, e uma camada intermediária de paládio (Pd). Ao aplicar uma tensão elétrica no material, os prótons são conduzidos ao eletrodo inferior, gerando uma hidrogenação da camada de Pd/GdCo. A introdução desses hidrogênios na rede GdCo leva a uma redução mais forte da magnetização do gadolínio do que a de cobalto.

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.

Como a mudança é feita apenas por uma mudança de tensão - em vez de uma corrente elétrica, que causaria aquecimento e, portanto, desperdiçaria energia por meio da dissipação de calor - este processo é altamente eficiente em termos de energia. E a mudança também é estável: O material foi submetido a 10.000 reversões de polaridade sem sinais de degradação.

O material tem ainda propriedades adicionais úteis no campo da spintrônica e outras aplicações avançadas. O alinhamento magnético entre os átomos individuais no material funciona um pouco como molas: Se um átomo começa a se mover para fora do alinhamento com os outros, essa força o puxa de volta. E esse acoplamento tipo mola significa que o material tende a gerar ondas magnéticas, também conhecidas como ondas de spin, de frequências muito altas, o que torna o material adequado para gerar ou detectar ondas até na faixa dos terahertz.

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