Uma nova geração de HDs (30 vezes mais rápidos e com menor custo energético!) está nascendo

André Neves Ribeiro
13/11/2017

Informação e Magnetismo. [1]
Em um dispositivo de armazenamento de informação três coisas são essenciais: 1- capacidade de armazenamento em relação ao tamanho do dispositivo; 2- velocidade de (re)gravação/leitura da informação; 3- consumo energético. Como toda informação é manipulada usando meios físicos, o aperfeiçoamento dessas caracterísitcas começa com pesquisas básicas em física. Sobre a primeira caracterísitica, pesquisas em magnetismo molecular já nos permite vislumbrar a possibilidade de bits armazenados em sistemas de poucos átomos, proporcionando a confecção de dispositivos minúsculos, mas com alta capacidade de armazenamento [2]. Já para a segunda e terceira características, um fantástico resultado foi anunciado recentemente por uma equipe de físicos da Alemanha – um material em que a informação gravada pode ser alterada de modo consideravelmente mais rápido e usando muito menos energia do que ocorre nos dispositivos atuais [3].

Em um disco rígido moderno (HD, sigla em inglês), por exemplo, o disco propriamente dito possui em sua superfície uma fina camada de um material magnético do tipo ferromagnético (essa fina camada é chamada filme fino e é onde a informação (bit) é armazenada). No ferromagnetismo os spins dos átomos do material, que comportam-se como imãs minúsculos, estão todos alinhados numa mesma direção. Para armazenar a informação o disco é dividido em regiões chamadas domínios magnéticos. Um domínio tem tamanho microscópico comparado com o tamanho do próprio disco, mas contém ainda um grande número de átomos. Cada bit é armazenado em um domínio magnético usando o ordenamento ferromagnético de seus (muitos) átomos.

A façanha dos pesquisadores da Alemanha foi possível porque eles usaram um material com ordenamento antiferromagnético, ao invés do tradicional ferromagnético, e utilizaram lasers para alterar a informação/bit/estado magnético do domínio magnético, ao invés de campos elétricos ou magnéticos. Em uma ordem antiferromagnética os spins de átomos adjacentes têm sentidos opostos (outros padrões de antiferromagnetismo existem), consequentemente o material não apresenta momento magnético resultante. Enquanto no ordenamento ferromagnético os bits 0 e 1 são associados aos spins apontando num ou noutro sentido da direção do ordenamento, no ordenamento antiferromagnético os bits podem ser associados aos spins terem ou não esse ordenamento. É exatamente essa distinção que permite alterar mais facilmente (com menos energia) a informação armazenada, isto é, trocar o bit de 0(1) para 1(0) no ordenamento ferromagnético implica em inverter o sentido de todos os spins do domínio magnético, já a destruição do ordenamento antiferromagnético pode ser desencadeada mudando a orientação do spin de apenas um átomo.

Para comparar a eficiência de um ordenamento ferromagnético com a de um antiferromagnético para o armazenamento e alteração de dados os pesquisadores primeiro tiveram que escolher um material que fosse tanto ferro quanto antiferromagnético; isso porque materiais diferentes geralmente possuem mecanismos diferentes que sustentam o magnetismo, o que tornaria a comparação difícil. O material escolhido foi o disprósio metálico (Dy). O disprósio é ferromagnético até aproximadamente 85 K e antiferromagnético disso até 178 K. A equipe produziu um filme fino, sobre um subestrato de safira, com a seguinte estrutura: Nb(2,5 nm)/Y(3 nm)/Dy(120 nm)/Y(70 nm)/Nb(50 nm). As medidas da fase ferromagnética/antiferromagnética foram realizadas com a amostra a 40 K/110 K. A comparação da velocidade de alteração da informação armazenada na amostra foi realizada medindo o tempo que levou para a ordem magnética ser destruída após ser perturbada por pulsos de laser de 800 nm (infravermelho). As medidas (realizadas usando difração de raios X) revelaram que a amostra na fase antiferromagnética perdeu seu ordenamento magnético cerca de 30 (trinta) vezes mais rápido do que na fase ferromagnética [3].

Embora essa pesquisa seja de natureza básica, ela aponta para diversas possibilidades de desenvolvimento de novas rotas de manipulação do spin, de maneira mais eficiente, para a construção de futuros dispositivos magnéticos de armazenamento e processamento de dados [3,4].

[1] Crédito da imagem: geralt (Pixabay) / Creative Commons. URL: https://pixabay.com/en/binary-code-ball-http-www-crash-2508931/.

[2] AN Ribeiro. Spintrônica: a construção de um admirável mundo novo já começou! Saense. URL: http://www.saense.com.br/2016/10/spintronica-a-construcao-de-um-admiravel-mundo-novo-ja-comecou/. Publicado em 10 de outubro (2016).

[3] N Thielemann-Kühn et al. Ultrafast and Energy-Efficient Quenching of Spin Order: Antiferromagnetism Beats Ferromagnetism. Phys Rev Lett 119, 197202 (2017).

[4] M Buchanan. Focus: Quick Changes in Magnetic Materials. Physics 10, 122 (2017).

Como citar este artigo: André Neves Ribeiro. Uma nova geração de HDs (30 vezes mais rápidos e com menor custo energético!) está nascendo. Saense. URL: http://www.saense.com.br/2017/11/uma-nova-geracao-de-hds-30-vezes-mais-rapidos-e-com-menor-custo-energetico-esta-nascendo/. Publicado em 13 de novembro (2017).

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André Neves Ribeiro

Doutor em Física. Professor do Instituto Federal de Sergipe. Escreve sobre Spintrônica no Saense.

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