Controlando Eletrônicos por Fotoexcitação – O Magnetita Será a Próxima Geração de Dispositivos?

O Potencial da Spintrônica

Transistores convencionais geralmente controlam a passagem de corrente elétrica, usando níveis de tensão para representar estados lógicos. A spintrônica explora também o spin dos elétrons e a magnetização. Isso não significa que seus dispositivos dispensem correntes elétricas.

A spintrônica pode oferecer vantagens em determinadas aplicações, como:

• Comutação rápida de estados magnéticos em dispositivos adequadamente projetados.
• Possível redução do consumo, especialmente quando a informação é mantida sem alimentação contínua.
• Uso de materiais magnéticos, incluindo metais e óxidos, combinados com outras camadas e componentes.

A spintrônica já é aplicada em cabeças de leitura de discos rígidos e em algumas memórias. O estudo da magnetita busca ampliar o conhecimento sobre materiais que poderiam apoiar tecnologias futuras.

Um dos materiais investigados para aplicações spintrônicas é a magnetita, um óxido de ferro de fórmula Fe3O4, com ferro nos estados de oxidação +2 e +3.

Fonte: Britannica

Embora suas propriedades magnéticas sejam conhecidas há muito tempo, a magnetita ainda apresenta fenômenos eletrônicos e estruturais que merecem investigação.

Uma equipe da EPFL e de outras instituições estudou como pulsos de laser podem induzir estados fora do equilíbrio na magnetita. O trabalho de 2024 é uma descoberta de ciência dos materiais, e não a demonstração de um equipamento eletrônico comercial.

As Propriedades Ocultas da Magnetita

A magnetita apresenta uma transição entre estados com diferentes propriedades elétricas e estruturais, conhecida como transição de Verwey. Abaixo de cerca de 120 K, o material tem uma fase monoclínica isolante; acima da transição, sua estrutura de equilíbrio é cúbica e sua condutividade é maior.

Os experimentos utilizaram pulsos de 800 nm, no infravermelho próximo, e de 400 nm, na região violeta do espectro visível. As duas energias excitaram processos eletrônicos diferentes, produzindo trajetórias distintas fora do equilíbrio.

Para acompanhar as mudanças estruturais em escalas de tempo ultracurtas, os pesquisadores utilizaram Difração Eletrônica Ultrarrápida (UED). Um picosegundo corresponde a 10⁻¹² segundo; a técnica permite examinar movimentos atômicos nesse regime temporal.

Alterando a Configuração Espacial

Na fase isolante de baixa temperatura, a magnetita apresenta uma estrutura monoclínica. Uma célula unitária monoclínica possui dois ângulos retos e um terceiro diferente de 90 graus. Essa descrição não corresponde à estrutura de equilíbrio do material em todas as temperaturas.

Fonte: ACS

A excitação com luz de 800 nm favoreceu a ruptura da ordem de longo alcance dos trímerons e uma separação em regiões cúbicas metálicas e monoclínicas isolantes. A dinâmica estrutural foi descrita em três etapas; não se tratou simplesmente de converter todo o cristal em um metal uniforme.

Já a luz de 400 nm reforçou a ordem associada à fase monoclínica isolante. A magnetita é um óxido, não um metal elementar, e o estado induzido é metaestável, não necessariamente permanente.

Esses estados fora do equilíbrio ajudam a esclarecer como a estrutura e a distribuição eletrônica se relacionam durante a transição metal-isolante.

Novos Sistemas Eletrônicos

O resultado mostra que a energia dos pulsos ópticos pode selecionar diferentes respostas eletrônicas e estruturais da magnetita. O controle direto de uma memória spintrônica funcional ainda exigiria etapas adicionais.

Pulsos ultracurtos oferecem, assim, uma ferramenta para investigar e manipular o material. Transformar esse efeito em componentes úteis depende de repetibilidade, integração, consumo energético e estabilidade.

“Nosso estudo abre caminho para uma nova abordagem de controle da matéria em escala de tempo ultrarrápida usando pulsos de fótons personalizados.

Ser capaz de induzir e controlar fases ocultas na magnetita pode ter implicações significativas para o desenvolvimento de materiais e dispositivos avançados.

Por exemplo, materiais que podem alternar entre diferentes estados eletrônicos de forma rápida e eficiente poderiam ser usados em computação e dispositivos de memória de próxima geração.”

Melhor Memória

As memórias magnéticas são uma aplicação estabelecida da spintrônica. Isso não significa que as MRAM atuais utilizem as fases fotoinduzidas de magnetita examinadas nesse estudo.

A MRAM pode substituir outros tipos de memória em determinadas aplicações, mas não é uma substituta universal da DRAM. A Everspin comercializa produtos MRAM e cita aplicações aeroespaciais, incluindo clientes como a Airbus. A tolerância à radiação e à temperatura deve ser verificada para cada componente e ambiente.

A não volatilidade pode reduzir o consumo associado à retenção de dados. Entretanto, tamanho, velocidade e economia de energia dependem da arquitetura e da comparação utilizada; uma redução de até 80% não é uma característica garantida de toda MRAM.

Fotônica?

O controle óptico de materiais também se relaciona com a fotônica, abordada em nosso artigo sobre alternativas à computação convencional em silício.

Uma memória controlada por luz poderia, em princípio, facilitar a integração com sistemas fotônicos. Essa possibilidade continua sendo uma direção de pesquisa, e o experimento não demonstrou um computador completo nem uma economia energética de sistema.

Empresas de Spintrônica

1. Everspin Technologies

A Everspin surgiu da separação do negócio de MRAM da Freescale em junho de 2008 e realizou sua oferta pública inicial em outubro de 2016. A Freescale foi posteriormente adquirida pela NXP; não se tratou apenas de uma mudança de nome.

A trajetória da Everspin se apoia na experiência da Freescale, que foi a primeira a comercializar um chip MRAM em 2006.

A MRAM é não volátil: preserva informação sem alimentação contínua. Isso pode ser útil em equipamentos nos quais a integridade dos dados é importante.

Uma projeção de mercado citada pela empresa estimava crescimento anual composto de 27,5% entre 2020 e 2030 para memórias persistentes, com demanda ligada à análise de dados, nuvem, inteligência artificial e aplicações industriais. Trata-se de uma previsão histórica, não de crescimento já garantido.

Everspin

Fonte: Everspin

A apresentação histórica citava uma projeção de mercado de US$ 7,4 bilhões em 2027. Os resultados de 2023 registravam fluxo de caixa livre positivo e ausência de dívida em aberto no encerramento do exercício; essas condições financeiras podem mudar.

Os produtos da Everspin atendem a aplicações como sistemas aeroespaciais, registradores de dados e equipamentos médicos. A dimensão do nicho e seu crescimento dependem da adoção efetiva e da concorrência.

Fonte: Everspin

Aplicações de IA e novas arquiteturas de processamento podem criar oportunidades de longo prazo, mas não asseguram demanda ou retorno para uma empresa específica.

2. NVE Corporation

Outra empresa de spintrônica, a NVE possui um histórico de patentes em memórias magnéticas que inclui sua primeira patente em 1993 e uma patente pioneira de tunelamento dependente de spin em 1995.

A empresa produz sensores e isoladoresspintrônicos, usados em medição, comunicação isolada e sistemas industriais, automotivos e médicos.

Fonte: NVE

A NVE concentra-se em sensores, isoladores e propriedade intelectual, enquanto a Everspin atua principalmente em memórias MRAM. Outras empresas, como Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba e Samsung, também pesquisam ou desenvolvem tecnologias relacionadas.

A escolha entre esses negócios depende do perfil do investidor, da avaliação financeira e dos riscos de cada empresa. Dividendos e uma posição em um nicho não tornam uma ação livre de risco.