Eletrônicos
Spintrônica: O Futuro da Computação de Baixa Energia
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).
Cientistas estão trabalhando para tornar a spintrônica tão eficiente que ela possa substituir uma parte significativa de nossas necessidades de computação.
Um artigo científico recente de pesquisadores do Korea Institute of Science and Technology (KIST), da Seoul National University, da Kunsan National University (Coreia), da Yonsei University e da Johannes Gutenberg University Mainz (Alemanha) descobriu que a perda de spin pode ser convertida de volta em magnetização, tornando os eletrônicos de spintrônica ainda mais eficientes em termos de energia.
Eles publicaram seus resultados na Nature Communications1, sob o título “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.
Outra descoberta recente de pesquisadores da Chinese Academy of Sciences, do National Synchrotron Radiation Laboratory (China), da ShanghaiTech University e da Beihang University foi como usar imperfeições em materiais spintrônicos para tornar os eletrônicos mais rápidos, inteligentes e eficientes.
Eles publicaram seus resultados na Nature Materials2, sob o título “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.
Vantagens da Spintrônica e Aplicações Potenciais
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 ao 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 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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| Recurso | Eletrônica Tradicional | Spintrônica |
|---|---|---|
| Portador de Informação | Corrente elétrica (0 ou 1) | Spin do elétron (para cima/para baixo) |
| Eficiência Energética | Alta demanda de energia | Uso de energia menor |
| Velocidade | Limitado pelo fluxo de corrente | Comutação de spin mais rápida |
| Materiais | Semicondutores complexos | Metais/óxidos simples |
| Estabilidade dos Dados | Armazenamento volátil | Estável, não volátil |
A spintrônica já é usada em discos rígidos e permitiu que a capacidade de armazenamento de dados crescesse na última década.
“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
Superando Desafios de Material na Spintrônica
Apesar dessas vantagens, a spintrônica ainda não ganhou tração comercial. Isso se deve em parte ao papel dos defeitos de material. Introduzir imperfeições em um material pode às vezes facilitar a escrita de dados em bits de memória ao reduzir a corrente necessária.
No entanto, esses defeitos também aumentam a resistência elétrica e reduzem a condutividade do efeito Hall de spin, tornando o uso do spin para codificar dados significativamente mais desafiador.
Uma solução pode ser usar rutenato de estrôncio (SrRuO3), um óxido de metal de transição cujas propriedades podem ser afinadas finamente.
A engenharia cuidadosa de defeitos no material usando dispositivos projetados sob medida e técnicas de medição de precisão altera como os spins reagem a eles.
“Processos de espalhamento que tipicamente degradam o desempenho na verdade prolongam a vida útil do momento angular orbital, aprimorando assim a corrente orbital.”
Dr. Xuan Zheng – Chinese Academy of Sciences
Isso é radicalmente diferente dos sistemas convencionais baseados em spin. Nestes experimentos, a modulação de condutividade sob medida resultou em uma melhoria de 3 vezes na eficiência energética da comutação.
“Este trabalho essencialmente reescreve o manual de design desses dispositivos. Em vez de combater as imperfeições do material, agora podemos explorá‑las.”
Prof. Zhiming Wang – Chinese Academy of Sciences
Computação de Baixa Energia com Spintrônica
Magnetismo e Spin
Com o spin sendo uma característica das partículas eletrônicas, não é surpreendente que os pesquisadores estejam encontrando novas conexões entre o spin e a magnetização de materiais eletrônicos.
Os pesquisadores coreanos estavam estudando essa conexão. Tradicionalmente, mudar a magnetização de um componente eletrônico entre 1 e 0 requer correntes grandes para inverter a direção da magnetização. Esse processo resulta em perda de spin, que tem sido considerada uma grande fonte de desperdício de energia e baixa eficiência.
Em vez de tentar mitigar essa perda e reduzir a dissipação de spin, eles buscam utilizá‑la combinando um único metal ferromagnético com um isolante antiferromagnético.
Fonte: Nature Materials
Fonte: Nature Materials
Correntes de Spin
Os pesquisadores focaram nas correntes de spin, também chamadas de magnons.
Fonte: Hubpage
Eles descobriram que a eficiência de conversão spin‑para‑magnon era a maior quando o eixo fácil magneto‑cristalino (n) estava mais próximo da polarização de spin (μ).
Na prática, isso significa que a perda de spin foi usada para fornecer a energia necessária para induzir uma mudança no estado magnético do material.
Fonte: Nature Materials
Escalável Usando Técnicas Atuais
Este método adota uma estrutura de dispositivo simples que é compatível com os processos de fabricação de semicondutores existentes.
“Até agora, o campo da spintrônica focou apenas em reduzir as perdas de spin, mas apresentamos uma nova direção ao usar as perdas como energia para induzir a comutação de magnetização,
Dr. Dong‑Soo Han – Pesquisador Sênior na KIST.
Isso o torna altamente viável para produção em massa, e também é vantajoso para miniaturização e alta integração, algo que pode retardar drasticamente a adoção de designs novos e mais radicais na eletrônica.
Portanto, esta descoberta pode ter aplicações rápidas em memória e computação de semicondutores de IA, memória ultra‑de baixa energia, computação neuromórfica e dispositivos de computação baseados em probabilidade.
Como esses campos já estão em expansão, isso pode proporcionar à tecnologia uma enorme janela de oportunidade.
“Planejamos desenvolver ativamente dispositivos semicondutores de IA ultra‑pequenos e de baixa energia, pois eles podem servir como base para tecnologias de computação ultra‑de baixa energia que são essenciais na era da IA.
Dr. Dong‑Soo Han – Pesquisador Sênior na KIST.
Conclusão
A spintrônica até agora estava limitada à tecnologia de discos rígidos, mas está mudando rapidamente graças a uma melhor compreensão de como manipular e usar os spins dos elétrons.
Isso deve criar um novo tipo de eletrônica, não tanto mais poderosa, como costuma acontecer com chips novos e menores, mas mais eficiente em termos de energia e ainda mais fácil de fabricar, pontos importantes à medida que o consumo de energia se torna cada vez mais um gargalo na implantação de datacenters de IA e computação de borda (como para carros autônomos ou robótica).
Empresas de Spintrônica
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin é uma ramificação da Freescale (agora conhecida como NXP, ticker de ações NXPI) dedicada ao desenvolvimento de sistemas de memória MRAM. Foi desmembrada e abriu capital em 2016.
Everspin é considerada a líder da tecnologia MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), 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 é cada vez mais usada em casos de uso 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 está projetado para 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
(NVEC )
Outro líder em spintrônica, NVE tem trabalhado nessa tecnologia desde sua primeira patente em tecnologia MRAM em 1995. Produz sensores e isoladores spintrônicos, usados 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 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 empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba e Samsung, que também estão desenvolvendo seu próprio produto MRAM.
Isso pode tornar a ação mais (ou menos) atraente dependendo do perfil dos investidores, com a ação da NVE sendo mais provável de atrair investidores mais conservadores que buscam rendimento de dividendos e segurança.
Estudos Referenciados
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
