Indutores entram no reino da mecânica quântica e da miniaturização

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/03/2021

Um indutor convencional (esquerda) e o indutor emergente (direita) no qual a indutância surge dentro de um fio especial de material magnético.
[Imagem: Nature]

Miniaturização dos indutores

Tudo o que você conhece como "eletrônico" agora poderá ficar ainda menor, levando a miniaturização a um novo patamar.

Tomoyuki Yokouchi e colegas do Instituto Riken, no Japão, conseguiram encolher um componente eletro-eletrônico fundamental - o indutor, ou bobina - até dimensões em microescala, usando um efeito quântico.

Os indutores são um componente básico dos circuitos elétricos modernos e são usados em uma ampla gama de aplicações, do processamento de informações, circuitos sem fio e carregadores até dispositivos móveis.

Eles funcionam com base na lei da indução, que o físico inglês Michael Faraday descobriu em 1831. Mas, embora a Física tenha dado grandes saltos desde então, os princípios fundamentais dos indutores permanecem essencialmente os mesmos - eles são basicamente bobinas de fio.

Sejam miniaturizadas dentro de chips ou mesmo bobinas feitas de supercondutores, seu funcionamento básico nunca havia sido alterado.

Magnetismo emergente

Ao contrário de outros componentes eletroeletrônicos, os indutores são difíceis de miniaturizar porque sua propriedade essencial, a indutância, diminui com seu volume, de modo que, se você reduzir o volume da bobina à metade, a indutância também cai pela metade.

Yokouchi agora conseguiu gerar uma indutância equivalente à dos indutores comerciais, mas em um componente cujo volume é cerca de um milhão de vezes menor.

Isso foi possível usando um mecanismo para gerar indutância que depende de efeitos quânticos, e que havia sido previsto teoricamente por Naoto Nagaosa, membro da equipe.

A indutância é gerada pelo chamado "eletromagnetismo emergente", uma nova forma de eletromagnetismo que surge das propriedades dos elétrons de condução em circuitos cuidadosamente projetados para gerar um arranjo de spins - os momentos magnéticos dos elétrons - que faz com que a direção de magnetização varie com a posição dos spins. Isso gera o que os físicos chamam de "fase de Berry", um estado da matéria que funciona como um campo eletromagnético efetivo - por isso chamado de "campo emergente".

Esse campo gera uma indutância que é proporcional à taxa de variação da densidade da corrente. Como essa densidade é inversamente proporcional à área da seção transversal do componente, a indutância emergente na verdade aumenta com a diminuição da área da seção transversal, justamente o oposto do que acontece com os indutores atuais.

Princípio da indutância emergente e foto do dispositivo construído pela equipe.
[Imagem: Tomoyuki Yokouchi et al. - 10.1038/s41586-020-2775-x]

Indutor quântico

Embora spins do elétron que dão origem ao magnetismo emergente se organizem em forma de espiral no condutor, o próprio fio não precisa ter o tradicional formato helicoidal, o que significa que, no tocante aos indutores quânticos, não fará sentido chamá-los de "bobinas quânticas" - na eletroeletrônica atual, indutores e bobinas são termos usados como sinônimos.

Mas nem tudo está pronto para uso prático. Por enquanto a equipe só encontrou um material adequado, um ímã feito de Gd₃Ru₄Al₁₂ (Gd, gadolínio; Ru, rutênio; Al, alumínio), que só apresenta o fenômeno em temperaturas criogênicas. Mas eles já adiantaram que estão procurando por materiais que possam operar em temperatura ambiente.

"De qualquer forma, Yokouchi e seus colegas fizeram uma descoberta importante, que pode levar a futuros esforços de engenharia em componentes, circuitos e sistemas eletrônicos, ao mesmo tempo em que estabelecem uma ponte inspiradora entre o mundo da mecânica quântica e a eletrônica moderna," comentou o professor Seonghoon Woo, do Centro de Pesquisas da IBM, que não participou da pesquisa, mas escreveu um comentário sobre ela para a revista Nature.

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