Como a Spintrônica Quiral Pode Transformar a Computação

Como a Spintrônica Pode Revolucionar a Computação

Progressivamente, o mundo da computação de hardware está começando a olhar além dos chips de silício, ou até mesmo das formas clássicas de computação binária.

Isso ocorre porque os chips e a memória habituais em nossos computadores e centros de dados estão se tornando cada vez mais difíceis de fabricar, com a geração mais recente 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, particularmente para sistemas de IA, continua a crescer.

Existem muitas soluções propostas, sendo a computação quântica e a fotônica as opções mais proeminentes para reduzir a demanda por computação ou torná‑la mais rápida e menos intensiva em energia.

Outra é a spintrônica, que utiliza o spin dos elétrons, uma característica quântica, em vez da corrente elétrica (o fluxo de elétrons).

Vantagens e Aplicações Potenciais da Spintrônica

Componentes eletrônicos, como transistores, são tradicionalmente construídos a partir de silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 no binário indicam a passagem ou bloqueio de uma corrente elétrica.

Uma forma alternativa de realizar computação é através de dispositivos spintrônicos, que operam com o 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 informação do que apenas 0 e 1, o spin pode armazenar mais dados por átomo do que a eletrônica tradicional.

Spintrônica tem algumas outras vantagens sobre 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 potência 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 semicondutor, tornando o armazenamento de dados mais estável.

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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 funciona como um pequeno ímã carregado pelos elétrons, apontando para cima ou para baixo.

Podemos aproveitar o spin dos elétrons para transferir e processar informações em dispositivos chamados spintrônicos.

Talieh Ghiasi – Pesquisador Pós‑Doutorando na Delft University of Technology

Muito progresso recente tem sido feito na spintrônica, por exemplo, que a perda de spin pode ser convertida de volta em magnetização, tornando a eletrônica spintrônica ainda mais eficiente em energia, ou que spintrônica e grafeno poderiam alimentar circuitos quânticos de próxima geração.

E os cientistas ainda estão descobrindo novos métodos para melhorar dispositivos spintrônicos, como pesquisadores da Seoul National University (Coreia do Sul), Korea University, Korea Institute of Science and Technology e Feinberg School of Medicine (EUA). Eles criaram nano‑hélices magnéticas que podem controlar o spin dos elétrons, o que poderia criar um campo totalmente novo de dispositivos chamados “spintrônica quiral”.

Eles publicaram seus resultados na prestigiosa revista científica Science¹, sob o título “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

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 da própria luz. É possível que duas moléculas quase idênticas entre si diferam 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 mão direita, apesar de ambas as mãos serem idênticas em forma, estrutura e função.

A quiralidade desempenha um papel fundamental na biologia, com a seleção natural tendo escolhido exclusivamente moléculas de DNA “destro”, açúcar e aminoácidos (o componente básico das proteínas).

No entanto, é rara em materiais inorgânicos, que tendem a ser desorganizados ou cristais sem quiralidade.

Como os Metais Adquirem Quiralidade para a Spintrônica

Os cientistas conseguiram criar nano‑hélices magnéticas quirais tanto esquerdas quanto direitas controlando eletroquimicamente o processo de cristalização do metal. Uma liga de cobalto‑ferro foi escolhida por suas propriedades ferromagnéticas.

Uma inovação chave neste processo é o uso de pequenas quantidades de moléculas orgânicas quirais, como cinconina ou cinconidina, que guiaram a formação das hélices.

“Em metais e materiais inorgânicos, controlar a quiralidade durante a síntese é extremamente difícil, especialmente na escala nanométrica.

O fato de podermos programar a direção das hélices inorgânicas simplesmente adicionando moléculas quirais é um avanço na química de materiais.

Prof. Ki Tae Nam – Professor na Seoul National University

Para demonstrar a quiralidade dessas nano‑hélices, 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 forma usual de verificar a quiralidade.

Mais importante, eles descobriram que esses metais magnéticos quirais também podem guiar o spin de forma correspondente: eles permitem preferencialmente que uma direção de spin passe, enquanto o spin oposto não pode.

“A quiralidade é bem compreendida em moléculas orgânicas, onde a mão de uma estrutura frequentemente determina sua função biológica ou química,”

Prof. Ki Tae Nam – Professor na Seoul National University

Aplicações Potenciais da Spintrônica Quiral

Através da magnetização inerente do material (alinhamento de spin), o transporte de spin a longa distância em temperatura ambiente tornou‑se possível.

Esse efeito provou ser constante, independentemente do ângulo entre o eixo quiral e a direção de injeção do spin. Como não foi observado em nano‑hélices não magnéticas da mesma escala, parece estar diretamente ligado às hélices magnéticas quirais.

Isso faria do primeiro transporte de spin assimétrico descoberto em um material relativamente macro‑escalado.

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 alcançam polarização de spin superior a ~80% — apenas por sua geometria e magnetismo,

Esta é uma combinação rara de quiralidade estrutural e ferromagnetismo intrínseco, permitindo filtragem de spin em temperatura ambiente sem circuitos magnéticos complexos ou criogênicos, e fornece uma nova forma de projetar o comportamento dos elétrons usando design estrutural.

Prof. Young Keun Kim – Professor na Korea University

Outra vantagem desta nova tecnologia é que o processo de fabricação é relativamente simples e barato, não usando materiais raros ou tecnologias complexas.

“Acreditamos que este sistema pode se tornar uma plataforma para a spintrônica quiral e a arquitetura de nanostruturas magnéticas quirais.

Este trabalho representa uma poderosa convergência de geometria, magnetismo e transporte de spin, construído a partir de materiais inorgânicos escaláveis.

Prof. Young Keun Kim – Professor na Korea University

Muito mais trabalho ainda precisa ser feito para explorar totalmente o potencial desta nova ideia e materiais. Por exemplo, o número de fios (duplas, hélices múltiplas) pode ser modificado à vontade, e pode gerar características diferentes ainda a serem descobertas.

A capacidade de controlar a mão (esquerda/direita) e até o número de fios (duplas, hélices múltiplas) usando este método eletroquímico versátil deve contribuir significativamente para novas áreas de aplicação.

Prof. Young Keun Kim – Professor na Korea University

Entre a facilidade de produção e a possibilidade de transferência de spin a longa distância, isso pode ser muito útil para a produção de computadores e redes totalmente baseados em spin, com vantagens econômicas decorrentes do menor consumo de energia e armazenamento de dados estável.

Investindo em Inovadores da Spintrônica

1. Everspin Technologies

Everspin é uma divisão da Freescale (agora conhecida como NXP, ticker de ações NXPI) dedicada ao desenvolvimento de sistemas de memória MRAM, a forma mais comum de spintrônica que é comercialmente viável hoje. Foi desmembrada e abriu capital em 2016.

Everspin é considerada a líder em tecnologia MRAM (Memória de Acesso Aleatório Magnetorresistiva), herdando a experiência da Freescale de ser a primeira a comercializar um chip MRAM em 2006.

Como a MRAM é uma memória que persiste mesmo na ausência de corrente, ela está sendo cada vez mais usada em casos sensíveis onde dados críticos são importantes demais para arriscar perda.

Impulsionado por aplicações onipresentes como análise de dados, computação em nuvem, tanto terrestre quanto extraterrestre, inteligência artificial (IA) e Edge AI, incluindo IoT Industrial, o mercado de memória persistente deve crescer a um CAGR de 27,5% entre 2020 e 2030

Everspin

Fonte: Everspin

A empresa estima que o mercado atingirá um tamanho de US$ 7,4 bilhões até 2027. A empresa não tem dívida e possui fluxo de caixa livre positivo desde 2021.

Os produtos MRAM da Everspin atualmente ocupam um nicho pequeno, mas em crescimento, atendendo a mercados onde a confiabilidade é crucial, como aeroespacial, satélites, gravadores de dados, dispositivos de monitoramento de pacientes, etc.

Fonte: Everspin

O crescimento de chipsets, IA e sistemas sinápticos também pode ser um impulso de longo prazo para a empresa.

2. NVE Corporation

Outro líder em spintrônica, a NVE tem trabalhado nesta tecnologia desde sua primeira patente em tecnologia MRAM em 1995. Ela produz sensores e isoladores spintrônicos, usados principalmente em sistemas de medição e sensores para carros, engrenagens, dispositivos médicos, fontes de energia e outros dispositivos industriais.

Fonte: NVE

Isso coloca a NVE em uma categoria um pouco diferente da Everspin, com a NVE sendo mais uma empresa industrial com forte posição em um mercado de nicho (magnetômetro usando spintrônica), enquanto a Everspin é mais uma empresa de memória/computação que trabalha e compete com nomes como Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba e Samsung, que também estão desenvolvendo seu próprio produto MRAM.

Isso pode tornar a ação mais (ou menos) atraente dependendo dos perfis dos investidores, com a ação da NVE mais propensa a atrair investidores mais conservadores que buscam rendimento de dividendos e segurança.

Estudos Referenciados

^{1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Edição 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}