Manipulando átomos para fazer computadores magnéticos e simular a natureza

Ilustração dos bits magnéticos a temperatura ambiente e diagrama do transístor magnético que ele permite criar.
[Imagem: Shivam N. Kajale et al. - 10.1126/sciadv.adk8669]

Computação magnética

O uso de materiais magnéticos para construir componentes para computação, como memórias e processadores, surgiu como um caminho promissor para a criação de computadores "além do CMOS" - a tecnologia da microeletrônica atual - que vão usar muito menos energia em comparação com os computadores tradicionais. A comutação da magnetização em ímãs ultraminiaturizados pode ser usada em computação da mesma forma que um transístor muda de ligado para desligado para representar os 0s e 1s do código binário.

Mas esse caminho se bifurca, sendo possível trabalhar com materiais magnéticos 3D ou com materiais magnéticos 2D, estes últimos muito promissores por estarem no limite da miniaturização e consumirem ainda menos energia - eles são tecnicamente conhecidos como ímãs bidimensionais de van der Waals.

Isto já é possível em escala de laboratório, mas seu uso prático vinha tropeçando no fato de que esses materiais 2D operam apenas em temperaturas muito baixas, como os supercondutores.

Transístor magnético

Agora, pesquisadores alcançaram esse marco crítico criando uma "heteroestrutura em camadas atômicas de van der Waals", onde um ímã chamado telureto de ferro e gálio (Fe3GaTe2) faz interface com outro material 2D, o ditelureto de tungstênio (WTe2). Esse ímã pode ser alternado entre os estados 0 e 1 simplesmente aplicando pulsos de corrente elétrica através de suas duas camadas.

"Nosso componente permite uma comutação robusta da magnetização sem a necessidade de um campo magnético externo, abrindo oportunidades sem precedentes para uma tecnologia de computação de consumo ultrabaixo e ambientalmente sustentável para megadados e IA," disse Deblina Sarkar, do MIT. "Além disso, a estrutura em camadas atômicas do nosso dispositivo oferece recursos exclusivos, incluindo interface aprimorada e possibilidades de ajuste de tensão de porta, bem como tecnologias spintrônicas flexíveis e transparentes."

Memórias e processadores de computador construídos com materiais magnéticos usam menos energia do que os dispositivos tradicionais baseados em silício. E os ímãs de van der Waals podem oferecer maior eficiência energética e melhor escalabilidade em comparação com o material magnético a granel, observam os pesquisadores, que agora pretendem analisar outros materiais de van der Waals de baixa simetria para ver se eles podem reduzir ainda mais a densidade de corrente.

O uso das camadas permitiu aproximar os átomos mais magnéticos da natureza a uma distância impensável até agora.
[Imagem: Ketterle Group/MIT]

Simuladores e processadores quânticos

Li Du e seus colegas, também do MIT, conseguiram outro avanço com ainda mais potencial de impacto, já que poderá trazer resultados não apenas para a computação clássica convencional, mas também para a computação quântica e, sobretudo, para processadores quânticos especializados, conhecidos como simuladores quânticos.

A proximidade é fundamental para a maioria dos fenômenos quânticos, já que as interações entre os átomos são mais fortes quando eles estão mais próximos. Isto é feito resfriando os átomos até que eles fiquem praticamente imóveis e, em seguida, usando luz laser para posicionar as partículas a uma distância de até 500 nanômetros - um limite que é definido pelo comprimento de onda da luz.

Agora, trabalhando com átomos de disprósio, que é o átomo mais magnético da natureza, Du e seus colegas usaram uma nova abordagem para manipular duas camadas desses átomos de disprósio com precisão suficiente para posicioná-los a apenas 50 nanômetros uns dos outros - em vez de manipular os átomos usando luz, as camadas é que são manipuladas. Nessa proximidade extrema, as interações magnéticas são 1.000 vezes mais fortes do que quando os átomos estão separados pela distância padrão de 500 nanômetros.

Além disso, os cientistas conseguiram medir dois novos efeitos causados pela proximidade dos átomos. Suas forças magnéticas aumentadas causaram a "termalização", ou a transferência de calor de uma camada para outra, bem como oscilações sincronizadas entre as camadas. Esses efeitos desapareceram à medida que as camadas são espaçadas.

A nova técnica pode ser aplicada a muitos outros átomos para estudar fenômenos quânticos. Por sua vez, a equipe planeja usar sua abordagem para manipular os átomos de disprósio em configurações que poderão gerar a primeira porta quântica puramente magnética - um alicerce fundamental para os tão esperados computadores magnéticos ou para um novo tipo de computador quântico.

Enquanto isso, outras equipes poderão colocar átomos de outros elementos em interação para criar simuladores quânticos, tipos mais especializados de processadores destinados a fazer na prática coisas que nenhum simulador computadorizado consegue fazer - reproduzir a natureza diretamente, abrindo caminho para a compreensão da matéria e para a criação de novos materiais.

Bibliografia:
Artigo: Field-free deterministic switching of all-van der Waals spin-orbit torque system above room temperature
Autores: Shivam N. Kajale, Thanh Nguyen, Nguyen Tuan Hung, Mingda Li, Deblina Sarkar
Revista: Science Advances
Vol.: 10, Issue 11
DOI: 10.1126/sciadv.adk8669

Artigo: Atomic physics on a 50 nm scale: Realization of a bilayer system of dipolar atoms
Autores: Li Du, Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond, Yu-Kun Lu, Wolfgang Ketterle
Revista: Science
Vol.: 384, Issue 6695 pp. 546-551
DOI: 10.1126/science.adh3023

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=mexendo-atomos-fazer-computadores-magneticos-simular-natureza&id=010110240508