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Ímãs absurdamente finos podem armazenar muito mais dados

Os pesquisadores pegaram os materiais magnéticos que formam a espinha dorsal das modernas tecnologias de informação digital, como o armazenamento em disco rígido, um passo adiante ao codificar informações usando ímãs com apenas algumas camadas de átomos de espessura.

Esse avanço pode revolucionar as tecnologias de computação em nuvem e a eletrônica de consumo, permitindo o armazenamento de dados com maior densidade e maior eficiência energética.

imas menores para armazenamento
imas menores para armazenamento

Em um novo estudo, publicado na revista Science, os pesquisadores relataram que usaram pilhas de materiais ultrafinos para exercer um controle sem precedentes sobre o fluxo de elétrons com base na direção de seus spins – onde o elétron “gira” são análogos aos minúsculos: Ímãs subatômicos.

Os materiais que eles usaram incluem folhas de cromo tri-iodide (CrI3), um material descrito em 2017 como o primeiro isolante magnético 2D. Quatro folhas – cada uma com apenas átomos de espessura – criaram o sistema mais fino possível, que pode bloquear os elétrons com base em seus spins, ao mesmo tempo em que exerce um controle 10 vezes mais forte do que outros métodos.

ímãs finos
ímãs finos

“Nosso trabalho revela a possibilidade de empurrar o armazenamento de informações com base em tecnologias magnéticas para o limite atomicamente fino”, diz o autor co-principal Tiancheng Song, um estudante de doutorado em física na Universidade de Washington.

Em uma pesquisa relacionada na Nature Nanotechnology, a equipe descobriu formas de controlar eletricamente as propriedades magnéticas desse ímã atomicamente fino.

“Com o crescimento explosivo da informação, o desafio é como aumentar a densidade do armazenamento de dados e reduzir a energia da operação”, diz o autor correspondente Xiaodong Xu, professor de física e de ciência e engenharia de materiais e pesquisador do corpo docente da universidade. Instituto. “A combinação de ambos os trabalhos aponta para a possibilidade de engenharia de dispositivos de memória magnética atomicamente finos com consumo de energia de ordens de grandeza menores do que o que é atualmente possível”.

O novo artigo da Science também analisa como esse material poderia permitir um novo tipo de armazenamento de memória que explora os spins eletrônicos em cada planilha individual.

Os pesquisadores imprensaram duas camadas de CrI3 entre as folhas condutoras de grafeno. Eles mostraram que, dependendo de como os spins estão alinhados entre cada uma das folhas CrI3, os elétrons podem fluir sem impedimentos entre as duas folhas de grafeno ou foram amplamente bloqueados de fluir. Essas duas configurações diferentes poderiam atuar como os bits – os zeros e os do código binário na computação cotidiana – para codificar informações.

imas para dados
imas para dados

“As unidades funcionais desse tipo de memória são as junções de túnel magnético, ou MTJ, que são ‘portas’ magnéticas que podem suprimir ou deixar passar a corrente elétrica dependendo de como os spins se alinham na junção”, diz o co-autor Xinghan Cai, um pesquisador de pós-doutorado em física. “Essa porta é fundamental para realizar esse tipo de armazenamento de dados em pequena escala.”

Com até quatro camadas de CrI3, a equipe descobriu o potencial de armazenamento de informações “multi-bit”. Em duas camadas de CrI3, os spins entre cada camada são alinhados na mesma direção ou em direções opostas, levando a duas taxas diferentes que os elétrons podem fluir através da porta magnética. Mas com três e quatro camadas, há mais combinações de spins entre cada camada, levando a taxas múltiplas e distintas nas quais os elétrons podem fluir através do material magnético de uma folha de grafeno para a outra.

“Em vez de o seu computador ter apenas duas opções para armazenar um dado, ele pode escolher entre A, B, C, até D e além”, diz o co-autor Bevin Huang, um estudante de doutorado em física.
“Portanto, os dispositivos de armazenamento que usam as junções CrI3 não apenas seriam mais eficientes, mas também armazenariam mais dados intrinsecamente.”

Os materiais e a abordagem dos pesquisadores representam uma melhoria significativa em relação às técnicas existentes sob condições operacionais semelhantes usando óxido de magnésio, que é mais espesso, menos eficaz no bloqueio de elétrons e não tem a opção de armazenamento de informações de vários bits.

“Embora nosso dispositivo atual exija campos magnéticos modestos e seja apenas funcional a baixas temperaturas, inviável para uso em tecnologias atuais, o conceito de dispositivo e o princípio operacional são inovadores e inovadores”, diz Xu. “Esperamos que, com o controle elétrico desenvolvido do magnetismo e alguma engenhosidade, essas junções de túnel possam operar com redução ou mesmo sem a necessidade de um campo magnético em alta temperatura, o que poderia ser um divisor de águas para a nova tecnologia de memória.”

Coautores adicionais do estudo são da Universidade de Washington; a Universidade de Hong Kong; Universidade Carnegie Mellon; o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais em Tsukuba, Japão; e Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee.

O Departamento de Energia dos EUA foi o principal financiador da pesquisa. Os pesquisadores realizaram parte desse trabalho nos Testbeds de Treinamento em Pesquisa do Clean Energy Institute.

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Caroline Ramos