A equipe, liderada por Rio Shiman, da Universidade de Tóquio, observou diretamente como os spins dos elétrons giram dentro de um antiferromagneto, um material no qual os spins opostos se cancelam. Ao capturar este processo em ação, os pesquisadores identificaram dois mecanismos de comutação distintos. Um descreve um caminho prático para memória magnética não volátil e dispositivos lógicos ultrarrápidos que poderiam superar a tecnologia atual. Os resultados foram publicados em Materiais da natureza.
De cartões perfurados e hastes de metal a tubos de vácuo e transistores, a computação moderna sempre dependeu de sistemas físicos para representar 0s e 1s. À medida que a procura por poder computacional continua a crescer, os investigadores procuram alternativas mais rápidas e eficientes. Os antiferromagnetos oferecem uma opção promissora. Embora pareçam magneticamente neutros porque suas costas são equilibradas, sua estrutura magnética interna ainda pode ser usada para armazenar informações digitais de novas maneiras.
“Por muitos anos”, diz Shimano, “os cientistas acreditaram que antiferromagnetos como o Mn3Sn (tritina manganês) pode mudar sua magnetização com extrema rapidez. No entanto, não estava claro se esta comutação independente de energia poderia ser concluída dentro de algumas dezenas de picossegundos ou como a magnetização realmente mudou durante o processo de comutação.”
Calor ou eletricidade? Resolvendo o mistério da mudança
A questão principal era o que realmente impulsionava o back flip. A corrente elétrica inverte diretamente os spins ou causa o calor gerado pela corrente?
Para descobrir, a equipe desenvolveu um experimento para observar o processo em tempo real. Eles produziram uma película fina de Mn3Sn e enviou pulsos elétricos curtos através dele. Ao mesmo tempo, eles iluminaram a amostra com flashes de luz ultrarrápidos e cronometrados com precisão, ajustando o atraso entre o pulso de corrente e o pulso de luz. Esta abordagem permitiu-lhes montar uma sequência resolvida no tempo mostrando como a magnetização evoluiu momento a momento.
“A parte mais difícil do projeto”, lembra Shimana, “foi medir as mudanças infinitesimais no sinal magnetoóptico. No entanto, ficamos surpresos com a clareza com que finalmente conseguimos observar o processo de comutação, uma vez que estabelecemos o método correto.”
Dois mecanismos diferentes de comutação de spin foram identificados
O experimento produziu algo sem precedentes: mudanças quadro a quadro no padrão magnético durante a troca. As imagens mostraram que o comportamento depende da força da corrente.
Quando a corrente era forte, a comutação era efetuada por aquecimento. No entanto, sob condições de corrente mais fracas, as costas viraram com pouco ou nenhum aquecimento. Este segundo caminho é particularmente importante porque oferece uma maneira de controlar de forma rápida e eficiente os estados magnéticos sem desperdiçar energia na forma de calor.
Este mecanismo de comutação sem calor poderia servir de base para dispositivos spintrônicos de próxima geração usados em computação, comunicações e eletrônica avançada. Para a Shimano, as descobertas apontam para um novo território científico ainda à espera de ser explorado.
Ultrapassando os limites da comutação de picossegundos
“Nossa observação atual mais rápida de comutação elétrica em Mn₃Sn, resolvida no tempo, é de 140 picossegundos, amplamente limitada pelo quão curtos os pulsos de corrente podem ser feitos em nosso dispositivo. No entanto, nossas descobertas sugerem que o próprio material pode mudar ainda mais rápido sob condições apropriadas. No futuro, pretendemos explorar esses limites finais criando pulsos de corrente ainda mais curtos e otimizando a estrutura do dispositivo.”
Embora as medições atuais sejam limitadas a 140 picossegundos, o verdadeiro limite de velocidade do material pode ser ainda menor. Ao melhorar suas ferramentas experimentais e o design dos dispositivos, os pesquisadores esperam descobrir com que rapidez a mudança de spin antiferromagnético pode ocorrer.
