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Nanotecnologia

Multímetro atômico faz medições dentro de chip

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/10/2017

A chave para medir as correntes de spin são defeitos atômicos no interior de nanodiamantes. [Imagem: Peter e Ryan Allen/Harvard University]

Multímetro spintrônico

Para que spintrônica se torne uma realidade - usar a rotação (spin) dos elétrons em vez de sua carga elétrica - os cientistas precisam entender melhor como medir e controlar essa rotação, como fazem hoje com a eletricidade.

Uma equipe da Universidade de Harvard apresentou agora uma técnica capaz justamente de controlar e medir o chamado "potencial químico de spin".

A técnica, que usa defeitos atômicos em nanodiamantes, é essencialmente um multímetro em nanoescala, um instrumento que permite fazer medições no interior de componentes instalados dentro dos chips.

Para tal nível de miniaturização, a equipe usou como medidor as chamadas vacâncias de nitrogênio, defeitos na rede cristalina dos diamantes que estão também sendo exploradas como qubits para computadores quânticos.

Informações pelo spin

Nos materiais condutores, os elétrons podem transportar informações movendo-se de um ponto A para um ponto B - essencialmente uma corrente elétrica.

O spin, por outro lado, pode se propagar também através de materiais isolantes, por meio de ondas, com cada elétron ficando parado e se comunicando com o seu vizinho imediato.

Para levar essas ondas de um ponto A a um ponto B, os pesquisadores primeiro tiveram que desenvolver uma técnica para aumentar o potencial químico de spin - ou tensão de rotação - em um nível local, para então poder medir o efeito.

"Se você tem um alto potencial químico na localização A e um baixo potencial químico na localização B, as ondas de spin começam a difundir de A para B," conta o pesquisador Chunhui Du. "Este é um conceito muito importante em spintrônica porque se você é capaz de controlar o transporte de ondas de spin, então você pode usar essas ondas de rotação em vez de corrente elétrica como carreadoras de informações".

Os chips spintrônicos permitem literalmente que a luz fale com a matéria. [Imagem: Princeton University]

Informações em material isolante

A equipe usou dois métodos de injeção de ondas de spin no material: no primeiro, eles aplicaram campos magnéticos de micro-ondas de oscilação rápida para excitar ondas de spin. No segundo, eles converteram uma corrente elétrica em ondas de spin usando uma tira de platina localizada em uma extremidade do ímã.

"O que é notável é que este material é um isolante, ele não conduz nenhuma corrente e, ainda assim, você pode enviar informações sob a forma de ondas de spin através dele," detalha o pesquisador Toeno Van der Sar. "As ondas de spin são tão promissoras porque podem viajar por um longo período de tempo sem decair, e quase nenhum calor é produzido porque você não tem elétrons em movimento."

Multímetro atômico

Com as ondas de spin injetadas no material, o próximo passo foi descobrir como medir informações sobre essas ondas. É aí que entram os defeitos de vacâncias de nitrogênio dos diamantes. Esses defeitos - nos quais um átomo de carbono é substituído por um átomo de nitrogênio - são extremamente sensíveis a campos magnéticos, mesmo aqueles muito fracos.

A equipe então fabricou minúsculas hastes de diamantes contendo vacâncias de nitrogênio e as colocaram nanômetros acima da amostra. À medida que as ondas de spin se movem através do material, elas geram um campo magnético, que é detectado pelo defeito de nitrogênio.

Esse "multímetro spintrônico", em escala atômica, permitiu medir o potencial químico de spin, o número de ondas de spin e detectar como elas estão se movendo através do material.

"O legal desta técnica é que ela é muito local," disse Van der Sar. "Você pode fazer essas medições a apenas alguns nanômetros acima da amostra, o que significa que você pode estudar espacialmente o potencial químico em componentes no interior de um chip, para, digamos, um processador spintrônico. Isso não é possível com algumas das outras técnicas estado-da-arte."

Bibliografia:

Control and local measurement of the spin chemical potential in a magnetic insulator
Chunhui Du, Toeno van der Sar, Tony X. Zhou, Pramey Upadhyaya, Francesco Casola, Huiliang Zhang, Mehmet C. Onbasli, Caroline A. Ross, Ronald L. Walsworth, Yaroslav Tserkovnyak, Amir Yacoby
Science
Vol.: 357 Issue 6347 195-198
DOI: 10.1126/science.aak9611