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

O Potencial da Spintrônica

Electronic components like transistors are traditionally built out of silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current. An alternative way to perform computation is spintronics devices that run on the spin of electrons (a fundamental quantum characteristic) rather than electric current (flow of electrons).

Componentes eletrônicos como transistores são tradicionalmente construídos a partir de silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 no sistema binário indicam a passagem ou o bloqueio de uma corrente elétrica. Uma forma alternativa de realizar computação são dispositivos de spintrônica que operam com o spin dos elétrons (uma característica quântica fundamental) em vez da corrente elétrica (fluxo de elétrons).

A spintrônica tem algumas vantagens sobre os sistemas eletrônicos clássicos, notably:

• 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.

Spintronics is notably used for hard drives and has allowed storage capacity to grow over the last decade.

A spintrônica é notavelmente usada em discos rígidos e permitiu que a capacidade de armazenamento crescesse na última década.

A material already used in spintronics is magnetita, a naturally occurring mineral made of oxygen and two forms of iron at different levels of oxidation.

Um material já usado na spintrônica é a magnetita, um mineral natural composto de oxigênio e duas formas de ferro em diferentes níveis de oxidação.

Fonte: Britannica

Despite the fact that magnetite has been known for its magnetic properties for decades, there is apparently still more that can be learned about it.

Apesar de a magnetita ser conhecida por suas propriedades magnéticas há décadas, aparentemente ainda há mais a ser aprendido sobre ela.

Researchers from the EPFL in Switzerland have discovered that lasers can create new phase changes in magnetite that were previously unknown. This could, in turn, lead to a new generation of electronic equipment.

Pesquisadores da EPFL na Suíça descobriram que lasers podem criar novas mudanças de fase na magnetita que eram desconhecidas anteriormente. Isso pode, por sua vez, levar a uma nova geração de equipamentos eletrônicos.

As Propriedades Ocultas da Magnetita

The researchers focused on magnetite due to its metal-to-insulator properties, allowing it to switch from a conductor of electricity to blocking it. This is also known as a phase transition, where the properties of a material suddenly change from one stage to another, a little like how liquid water can turn into ice, with very different properties.

Os pesquisadores focaram na magnetita devido às suas propriedades de metal a isolante, permitindo que ela mude de condutora de eletricidade para bloqueá-la. Isso também é conhecido como transição de fase, onde as propriedades de um material mudam repentinamente de um estágio para outro, um pouco como a água líquida pode se transformar em gelo, com propriedades muito diferentes.

By using two different types of lasers, one emitting light at 800nm and one at 400nm (infrared and visible light), they discovered that new phases appeared in magnetite that had not been identified until now.

Usando dois tipos diferentes de lasers, um emitindo luz a 800nm e outro a 400nm (infravermelho e luz visível), eles descobriram que novas fases apareceram na magnetita que ainda não haviam sido identificadas.

This is not a trivial matter, as the researchers had to detect change happening in an infinitesimally small period of time. To do so, they used a technique called Difração Eletrônica Ultrarrápida (UED), which allowed them to look at atom movements lasting less than a picosecond or a trillionth of a second.

Isso não é uma questão trivial, pois os pesquisadores precisaram detectar mudanças ocorrendo em um período infinitesimalmente pequeno de tempo. Para isso, eles usaram uma técnica chamada Difração Eletrônica Ultrarrápida (UED), que lhes permitiu observar movimentos atômicos com duração inferior a um picosegundo, ou um trilionésimo de segundo.

Alterando a Configuração Espacial

Normally, magnetite’s atomic structure is “a monoclinic lattice,” where the unit cell is shaped like a skewed box with three unequal edges. Two of its angles are 90 degrees, while the third is different.

Normalmente, a estrutura atômica da magnetita é “uma rede monoclínica”, onde a célula unitária tem a forma de uma caixa inclinada com três arestas desiguais. Dois de seus ângulos são de 90 graus, enquanto o terceiro é diferente.

Fonte: ACS

The 800nm light causes the magnetite atomic structure to compress, turning it into a cubic structure. The ultra-rapid observation showed the researchers that it happened through a 3-stage process.

A luz de 800nm faz com que a estrutura atômica da magnetita se comprima, transformando-a em uma estrutura cúbica. A observação ultrarrápida mostrou aos pesquisadores que isso ocorreu por meio de um processo de 3 estágios.

The 400nm instead caused the metal atomic structure to expand, creating a very stable configuration, making it a very stable insulator.

A luz de 400nm, por outro lado, fez a estrutura atômica do metal expandir, criando uma configuração muito estável, tornando-a um isolante muito estável.

This configuration is different from the previously known stable equilibrium of magnetite and provides deep insight into what is actually happening during the metal-to-insulator transition.

Essa configuração difere do equilíbrio estável previamente conhecido da magnetita e fornece uma compreensão profunda do que realmente acontece durante a transição de metal a isolante.

Novos Sistemas Eletrônicos

This discovery means that it is possible to change the effect on spin and current of magnetite just with light from lasers.

Essa descoberta significa que é possível alterar o efeito sobre o spin e a corrente da magnetita apenas com luz de lasers.

Thanks to very quick laser systems, it could allow for photon pulse to quickly change in a controlled fashion the nature of the metallic material.

Graças a sistemas de laser muito rápidos, pode permitir que pulsos de fótons alterem rapidamente, de forma controlada, a natureza do material metálico.

“Our study breaks ground for a novel approach to control matter at ultrafast timescale using tailored photon pulses.

Being able to induce and control hidden phases in magnetite could have significant implications for the development of advanced materials and devices.

For instance, materials that can switch between different electronic states quickly and efficiently could be used in next-generation computing and memory devices.”

“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

Spintronics and magnetite are new frontiers for electronic system manufacturers. What started in a hard drive is now expanding to other memory systems.

Spintrônica e magnetita são novas fronteiras para fabricantes de sistemas eletrônicos. O que começou em um disco rígido agora está se expandindo para outros sistemas de memória.

For example, random access memory (DRAM) could be replaced with magnetic RAM (MRAM). The first version of this concept is an already commercialized product by Everspin and has been used in Airbus aircraft, thanks to its resistance to temperature changes as well as cosmic radiation compared to traditional memory systems.

Por exemplo, a memória de acesso aleatório (DRAM) poderia ser substituída por memória RAM magnética (MRAM). A primeira versão desse conceito já é um produto comercializado pela Everspin e tem sido usada em aeronaves da Airbus, graças à sua resistência a variações de temperatura e radiação cósmica em comparação com sistemas de memória tradicionais.

Another advantage of MRAM is its smaller size and lower power consumption, which means up to 80% less power demand. This can allow MRAM to be incorporated as cache memory in processors at a greater total capacity while consuming less power and generating less heat, with both space and heat becoming key limiting factors in processor improvement.

Outra vantagem do MRAM é seu tamanho menor e menor consumo de energia, o que significa até 80% menos demanda de energia. Isso pode permitir que o MRAM seja incorporado como memória cache em processadores com maior capacidade total, consumindo menos energia e gerando menos calor, sendo tanto o espaço quanto o calor fatores limitantes importantes na melhoria dos processadores.

Fotônica?

The use of laser in changing magnetite conditions is reminiscent of the growing field of photonics, one of the options we discussed in our article about companies moving computation beyond semiconductor systems.

O uso de laser na mudança das condições da magnetita lembra o campo crescente da fotônica, uma das opções que discutimos em nosso artigo sobre empresas que estão movendo a computação além dos sistemas semicondutores.

A system already using laser and light to perform computation could greatly benefit from a memory system that relies on magnetite’s phase change induced by light. This could potentially allow the computation result to be directly converted into data with little intermediary step-consuming power and slowing things down.

Um sistema que já usa laser e luz para realizar computação poderia se beneficiar muito de um sistema de memória que depende da mudança de fase da magnetita induzida por luz. Isso poderia potencialmente permitir que o resultado da computação fosse convertido diretamente em dados com pouca etapa intermediária que consome energia e desacelera o processo.

Empresas de Spintrônica

1. Everspin Technologies

Everspin is the branch of Freescale (currently named NXP, stock ticker NXPI) that is dedicated to developing MRAM memory systems. It got spinned-out and IPOed in 2016.

Everspin é a divisão da Freescale (atualmente chamada NXP, ticker de ações NXPI) dedicada ao desenvolvimento de sistemas de memória MRAM. Foi desmembrada e abriu capital em 2016.

Everspin is considered the leader of MRAM technology, inheriting Freescale’s experience of being the first to commercialize an MRAM chip in 2006.

Everspin é considerada a líder em tecnologia MRAM, herdando a experiência da Freescale de ser a primeira a comercializar um chip MRAM em 2006.

Because MRAM is a memory that persists even in the absence of a current, it is increasingly used in sensitive use cases where critical data are important.

Como o MRAM é uma memória que persiste mesmo na ausência de corrente, ele está sendo usado cada vez mais em casos sensíveis onde dados críticos são importantes.

Driven by pervasive applications such as data analytics, cloud computing, both terrestrial and extraterrestrial, artificial intelligence (AI), and Edge AI including Industrial IoT, the market for persistent memory is projected to grow at a CAGR of 27.5% between 2020 and 2030

Everspin

Fonte: Everspin

The company estimates the market will reach a $7.4B size by 2027. The company has no debt and positive free cash flow since 2021.

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.

Everspin MRAM products are currently occupying a small but growing niche, serving markets where reliability is crucial like aerospace, satellites, data recorders, patient monitoring devices, etc.

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

The growth of chipsets, AI, and synaptic systems might also be a long-term boost for the company.

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

2. NVE Corporation

Another leader of spintronics, NVE tem trabalhado nesta tecnologia desde sua primeira patente em tecnologia MRAM em 1995.

It produces spintronic sensores and isoladores, mostly used in measurement and sensor systems for cars, gears, medical devices, power supplies, and other industrial devices.

Fonte: NVE

This puts NVE in a somewhat different category than Everspin, with NVE more of an industrial company with a strong position in a niche market (magnetometer using spintronics), while Everspin is more of a memory/computing company working with and in competition with the like of Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, and Samsung also developing their own MRAM product.

Isso coloca a NVE em uma categoria um pouco diferente da Everspin, sendo a NVE 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 empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba e Samsung, que também desenvolvem seu próprio produto MRAM.

It can make it a more (or less) attractive stock depending on investors’ profile, with NVE’s stock more likely to appeal to more conservative investors looking for some dividend yield and safety.

Isso pode torná-la uma ação mais (ou menos) atraente dependendo do perfil dos investidores, sendo a ação da NVE mais provável de atrair investidores mais conservadores que buscam algum rendimento de dividendos e segurança.