Redemoinhos magnéticos abrem caminho para computação com eficiência energética

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/09/2023

Dois skyrmions acoplados antiferromagneticamente: O spin no centro e os spins externos são antiparalelos entre si.
[Imagem: Takaaki Dohi/Tohoku University]

Computação magnética

Há muito tempo se sabe que os skyrmions, minúsculos vórtices magnéticos que se comportam como partículas e podem ser controlados por correntes elétricas, podem ser usados para armazenar dados de modo mais eficiente do que os grânulos magnéticos usados nos discos rígidos de hoje.

Mas eles podem ser mais do que armazenadores passivos de dados: Os skyrmions podem ser usados para a computação propriamente dita, para fazer cálculos.

Takaaki Dohi e colegas das universidades de Tohoku (Japão), Constança e Mainz (Alemanha), acabam de demonstrar a viabilidade de se criar um computador funcional baseado em skyrmions.

Este "protótipo" inicial consiste em finas camadas metálicas empilhadas, algumas com apenas algumas camadas atômicas de espessura, que a equipe já vinha desenvolvendo há algum tempo, e que já haviam sido utilizadas para mesclar a computação de reservatório com uma computação magnética.

Vários conceitos teóricos para a computação baseada em skyrmions têm sido propostos nos anos recentes, mas este é o primeiro trabalho que passa da teoria para a prática. Ainda estamos longe de um processador magnético, mas os mecanismos básicos rumo a isso agora foram traçados.

Ilustração do controle dos skyrmions (esquerda) e do seu uso para computação (direita).
[Imagem: Takaaki Dohi/Shunsuke Fukami/Tohoku University]

Manipulação de skyrmions

A computação magnética nasceu a partir do momento magnético dos elétrons, o chamado spin, dando origem à spintrônica, que está na base de muitos produtos de ponta já no mercado.

Quando se juntam vários spins, porém, pode ocorrer a formação de redemoinhos magnéticos, os skyrmions, batizados em homenagem a Tony Skyrme, um físico teórico britânico que previu sua existência nos anos 1960. Mas os primeiros skyrmions só foram observados experimentalmente há cerca de uma década.

Esses redemoinhos emergem em finas camadas metálicas magnéticas e podem ser considerados quasipartículas bidimensionais. Por um lado, os redemoinhos podem ser movidos deliberadamente aplicando uma pequena corrente elétrica; por outro lado, eles se movem de forma aleatória e de modo extremamente eficiente devido à difusão. O segredo está em unir essas duas possibilidades, de modo a alcançar um controle total e preciso sobre esses "bits magnéticos".

Em materiais conhecidos como antiferromagnetos, os spins dos átomos ficam alinhados alternadamente, ou seja, um spin e seus vizinhos diretos apontam em direções opostas. Como resultado, não há um momento magnético líquido, embora os spins permaneçam antiferromagneticamente bem ordenados. Isto lhes dá uma grande vantagem como plataforma para os skyrmions porque, ao contrário dos ferromagnetos, os skyrmions não ficam colidindo entre si, o que acaba por destruí-los.

Uma parte essencial do trabalho, que efetivamente permite a manipulação dos skyrmions para fazer cálculos, consistiu em mapear a influência da temperatura e do tamanho dos skyrmions em sua difusão e, portanto, em seu movimento. À medida que a temperatura aumenta, os skyrmions têm mais energia para se difundirem mais rapidamente. O calor também reduz o tamanho dos skyrmions, o que afeta positivamente sua mobilidade. A compensação da componente de força vertical também tem um impacto positivo na difusão.

"Nós criamos um antiferromagneto sintético no qual a difusão dos skyrmions é aproximadamente dez vezes maior do que nas camadas individuais," disse Klaus Raab, membro da equipe. "Esta difusão pode ser implementada para realizar a computação estocástica - uma forma de computação baseada em processos estocásticos, como o movimento aleatório das partículas."

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