Computação
Como a espintrônica quiral pode transformar a computação
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Como a Spintrônica Pode Revolucionar a Computação
Progressivamente, o mundo da computação de hardware está começando a olhar além dos chips de silício, ou mesmo das formas clássicas de computação binária.
Isso ocorre porque os chips e memórias comuns em nossos computadores e data centers estão ficando cada vez mais difíceis de construir, com a última geração tendo transistores de apenas alguns nanômetros de tamanho.
Outro fator é que o consumo de energia está se tornando um problema à medida que a demanda por poder de computação, especialmente para sistemas de IA, continua crescendo.
Há muitas soluções propostas, sendo a computação quântica e a fotônica as opções mais importantes para reduzir a demanda por computação ou torná-la mais rápida e com menor consumo de energia.
Outra é a espintrônica, que utiliza o spin dos elétrons, uma característica quântica, em vez da corrente elétrica (o fluxo de elétrons).
Vantagens e potenciais aplicações da espintrônica
Componentes eletrônicos, como transistores, são tradicionalmente construídos em silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 em binário indicam a passagem ou o bloqueio de uma corrente elétrica.
Uma maneira alternativa de realizar cálculos é por meio de dispositivos spintrônicos, que funcionam com base no spin dos elétrons (uma característica quântica fundamental) em vez da corrente elétrica (o fluxo de elétrons).
Fonte: Insight IAS
Os dados podem ser codificados tanto no momento angular de spin, que pode ser imaginado como uma orientação “para cima” ou “para baixo” incorporada do elétron, quanto no momento angular orbital, que descreve como os elétrons se movem ao redor dos núcleos atômicos.
Como isso contém mais informações do que apenas 0 e 1, o spin pode conter mais dados por átomo do que a eletrônica tradicional.
A spintrônica tem algumas outras vantagens sobre os sistemas eletrônicos clássicos, notavelmente:
- Dados mais rápidos, pois o spin pode ser alterado muito mais rapidamente.
- Menor consumo de energia, pois o spin pode ser alterado com menos energia do que o necessário para manter um fluxo de elétrons para criar uma corrente.
- Metais simples podem ser usados em vez de materiais semicondutores complexos.
- O spin é menos volátil que o estado do semicondutor, tornando o armazenamento de dados mais estável.
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| Característica | Eletrônica Tradicional | Spintrônica |
|---|---|---|
| Portador de informações | Corrente elétrica (0 ou 1) | Spin do elétron (para cima/para baixo) |
| Eficiência energética | Alta demanda de energia | Menor consumo de energia |
| Agilidade (Speed) | Limitado pelo fluxo de corrente | Troca de rotação mais rápida |
| Materiais | Semicondutores complexos | Metais/óxidos simples |
| Estabilidade de dados | Armazenamento volátil | Estável, não volátil |
A spintrônica tem sido comercializada em cabeças de leitura de discos rígidos desde a década de 1990, aumentando significativamente a densidade de armazenamento nas últimas décadas.
“O spin é uma propriedade mecânica quântica dos elétrons, que é como um pequeno ímã carregado pelos elétrons, apontando para cima ou para baixo.
Podemos aproveitar o spin dos elétrons para transferir e processar informações nos chamados dispositivos spintrônicos.”
Talieh Ghiasi – Pesquisadora de Pós-Doutorado na Universidade de Tecnologia de Delft
Muito progresso recente foi feito na espintrônica, por exemplo, que a perda de spin pode ser convertida novamente em magnetização, tornando a eletrônica spintrônica ainda mais eficiente em termos de energia, ou aquilo spintrônica e grafeno poderia circuitos quânticos de última geração.
E cientistas continuam descobrindo novos métodos para aprimorar dispositivos espintrônicos, como pesquisadores da Universidade Nacional de Seul (Coreia do Sul), da Universidade da Coreia, do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia e da Faculdade de Medicina Feinberg (EUA). Eles criaram nano-hélices magnéticas que podem controlar o spin do elétron, o que poderia criar um campo inteiramente novo de dispositivos chamados de "espintrônica quiral".
Eles publicaram seus resultados na prestigiosa revista científica Science1, Sob o título "Transporte seletivo de spin através de nanohélices ferromagnéticas quirais".
Spintrônica Quiral
O que é quiralidade na spintrônica?
Na natureza, a simetria é uma característica fundamental de muitas coisas, incluindo os componentes do DNA e a própria luz. É possível que duas moléculas quase idênticas difiram não em sua composição ou forma, mas em sua orientação, um conceito chamado "quiralidade".
A quiralidade pode ser explicada em sua forma mais simples como a maneira pela qual nossa mão esquerda difere da nossa mão direita, apesar de ambas as mãos serem idênticas em formato, estrutura e função.
A quiralidade desempenha um papel fundamental na biologia, com a seleção natural tendo selecionado exclusivamente moléculas de DNA, açúcar e aminoácidos (o componente básico das proteínas) “destros”.
No entanto, isso é raro em materiais inorgânicos, que tendem a ser desorganizados ou cristais sem quiralidade.
Como os metais ganham quiralidade para a espintrônica
Os cientistas conseguiram criar nanohélices magnéticas quirais tanto para a esquerda quanto para a direita, controlando eletroquimicamente o processo de cristalização do metal. Uma liga de cobalto-ferro foi escolhida por suas propriedades ferromagnéticas.
Uma inovação fundamental nesse processo é o uso de traços de moléculas orgânicas quirais, como cinchonina ou cinchonidina, que guiaram a formação das hélices.
“Em metais e materiais inorgânicos, controlar a quiralidade durante a síntese é extremamente difícil, especialmente na nanoescala.
O fato de podermos programar a direção de hélices inorgânicas simplesmente adicionando moléculas quirais é um avanço na química de materiais.”
Para demonstrar a quiralidade dessas nanohélices, eles mediram campos eletromagnéticos (EMF) gerados pelas hélices sob campos magnéticos rotativos.
Isso cria uma maneira fácil de testar se o material foi produzido corretamente, já que as hélices esquerda e direita produziram sinais EMF opostos, permitindo a verificação quantitativa da quiralidade, sem exigir que o material magnético interaja fortemente com a luz, a maneira usual de verificar a quiralidade.
Mais importante, eles descobriram que esses metais magnéticos quirais também podem guiar o spin adequadamente: eles permitem preferencialmente que uma direção do spin passe, enquanto o spin oposto não pode.
“A quiralidade é bem compreendida em moléculas orgânicas, onde a lateralidade de uma estrutura frequentemente determina sua função biológica ou química”,
Aplicações potenciais da espintrônica quiral
Por meio da magnetização inerente do material (alinhamento de spin), o transporte de spin de longa distância em temperatura ambiente tornou-se possível.
Este efeito se mostrou constante, independentemente do ângulo entre o eixo quiral e a direção da injeção de spin. Como não foi observado em nanohélices não magnéticas da mesma escala, parece estar diretamente ligado às hélices magnéticas quirais.
Isso seria o primeiro transporte de spin assimétrico descoberto em um material de escala relativamente macro.
A equipe também demonstrou um dispositivo de estado sólido que mostrou sinais de condução dependentes da quiralidade, abrindo caminho para aplicações spintrônicas práticas.
“Essas nano-hélices atingem uma polarização de spin superior a ~80% — apenas por sua geometria e magnetismo”,
Esta é uma combinação rara de quiralidade estrutural e ferromagnetismo intrínseco, permitindo a filtragem de spin à temperatura ambiente sem circuitos magnéticos complexos ou criogenia, e fornece uma nova maneira de projetar o comportamento dos elétrons usando o projeto estrutural.”
Outra vantagem dessa nova tecnologia é que o processo de fabricação é relativamente simples e barato, não utilizando materiais raros ou tecnologias complexas.
“Acreditamos que este sistema pode se tornar uma plataforma para a spintrônica quiral e a arquitetura de nanoestruturas magnéticas quirais.
Este trabalho representa uma poderosa convergência de geometria, magnetismo e transporte de spin, construído a partir de materiais inorgânicos escaláveis.”
Ainda há muito trabalho a ser feito para explorar plenamente o potencial dessa nova ideia e desses novos materiais. Por exemplo, o número de filamentos (hélices duplas ou múltiplas) pode ser modificado à vontade, o que pode gerar características diferentes ainda a serem descobertas.
Espera-se que a capacidade de controlar a lateralidade (esquerda/direita) e até mesmo o número de fios (hélices duplas ou múltiplas) usando esse método eletroquímico versátil contribua significativamente para novas áreas de aplicação.
Entre a facilidade de produção e a possibilidade de transferência de spin de longa distância, isso pode ser muito útil para a produção de computadores e redes totalmente baseados em spin, com vantagens econômicas de menor consumo de energia e armazenamento de dados estável.
Investindo em inovadores spintrônicos
1. Tecnologias Everspin
(MRAM )
A Everspin é uma filial da Freescale (agora conhecida como NXP, cotação NXPI) dedicada ao desenvolvimento de sistemas de memória MRAM, a forma mais comum de spintrônica comercialmente viável atualmente. Ela foi desmembrada e abriu o capital em 2016.
A Everspin é considerada líder da tecnologia MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), herdando a experiência da Freescale de ser o primeiro a comercializar um chip MRAM em 2006.
Como a MRAM é uma memória que persiste mesmo na ausência de corrente, ela é cada vez mais usada em casos de uso sensíveis, nos quais dados críticos são importantes demais para correr o risco de perda.
Impulsionado por aplicações abrangentes, como análise de dados, computação em nuvem, terrestre e extraterrestre, inteligência artificial (IA) e Edge AI, incluindo IoT industrial, o mercado de memória persistente deverá crescer a uma CAGR de 27.5% entre 2020 e 2030.
Fonte: Giro eterno
A empresa estima que o mercado atingirá US$ 7.4 bilhões até 2027. A empresa não tem dívidas e tem fluxo de caixa livre positivo desde 2021.
Os produtos MRAM da Everspin estão atualmente ocupando um nicho pequeno, mas crescente, atendendo mercados onde a confiabilidade é crucial, como aeroespacial, satélites, gravadores de dados, dispositivos de monitoramento de pacientes, etc.
Fonte: Giro eterno
O crescimento de chipsets, IA e sistemas sinápticos também pode ser um impulso a longo prazo para a empresa.
2. Corporação NVE
(NVEC )
Outro líder da spintrônica, A NVE tem trabalhado nesta tecnologia desde a sua primeira patente na tecnologia MRAM em 1995. Produz espintrônico sensor e isoladores, usado principalmente em sistemas de medição e sensores para carros, engrenagens, dispositivos médicos, fontes de alimentação e outros dispositivos industriais.
Fonte: NVE
Isso coloca a NVE em uma categoria um pouco diferente da Everspin, com a NVE mais como uma empresa industrial com uma posição forte em um nicho de mercado (magnetômetro usando spintrônica), enquanto a Everspin é mais uma empresa de memória/computação trabalhando e competindo com empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba e Samsung, que também estão desenvolvendo seu próprio produto MRAM.
Isso pode tornar as ações mais (ou menos) atraentes dependendo do perfil dos investidores, com as ações da NVE provavelmente atraindo investidores mais conservadores que buscam rendimento de dividendos e segurança.
Estudos Referenciados
1. Yoo Sang Jeonet al. Transporte seletivo de spin através de nanohélices ferromagnéticas quirais. Ciência. 4 setembro 2025. Vol 389, Edição 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
