Cientistas capturam uma virada magnética em 140 trilionésimos de segundo

De cartões de papel perfurados e hastes de metal a tubos de vácuo e transistores, a computação moderna sempre dependeu de sistemas físicos para representar 0s e 1s. À medida que a procura por capacidade de processamento continua a aumentar, os investigadores procuram alternativas mais rápidas e eficientes. Os antiferromagnetos oferecem uma opção promissora. Embora pareçam magneticamente neutros porque os seus spins se equilibram, a sua estrutura magnética interna ainda pode ser aproveitada para armazenar informação digital de novas maneiras.

“Por muitos anos”, diz Shimano, “os cientistas acreditaram que antiferromagnetos como o Mn₃Sn (manganês três estanho) poderia mudar sua magnetização extremamente rapidamente. No entanto, não estava claro se esta comutação não volátil poderia ser concluída dentro de algumas dezenas de picossegundos ou como a magnetização realmente mudou durante o processo de comutação.”

Calor ou Corrente? Resolvendo o mistério da mudança

Uma questão central era o que realmente impulsionava a reversão do spin. A corrente elétrica inverte os spins diretamente ou o calor gerado pela corrente causa a mudança?

Para descobrir, a equipe desenvolveu um experimento para observar o desenrolar do processo em tempo real. Eles fabricaram uma película fina de Mn₃Sn e enviou breves pulsos elétricos através dele. Ao mesmo tempo, eles iluminaram a amostra com flashes de luz ultrarrápidos precisamente cronometrados, ajustando o atraso entre o pulso de corrente e o pulso de luz. Esta abordagem permitiu-lhes montar uma sequência resolvida no tempo mostrando como a magnetização evoluiu momento a momento.

“A parte mais desafiadora do projeto”, lembra Shimano, “foi medir as mudanças infinitesimais no sinal magnetoóptico. No entanto, ficamos surpresos com a clareza com que finalmente pudemos observar o processo de comutação, uma vez que estabelecemos o método correto.”

Revelados dois mecanismos distintos de comutação de rotação

O experimento produziu algo sem precedentes: uma visão quadro a quadro das mudanças no padrão magnético durante a comutação. As imagens mostraram que o comportamento depende da intensidade da corrente aplicada.

Quando a corrente era forte, a comutação era impulsionada por efeitos de aquecimento. Sob condições de corrente mais fracas, entretanto, os giros giraram com pouco ou nenhum aquecimento envolvido. Este segundo caminho é especialmente significativo porque sugere uma maneira de controlar os estados magnéticos de forma rápida e eficiente, sem desperdiçar energia na forma de calor.

Esse mecanismo de comutação sem calor poderia servir de base para dispositivos spintrônicos de próxima geração usados ​​em computação, comunicações e eletrônica avançada. Para a Shimano, as descobertas apontam para um novo território científico ainda à espera de ser explorado.

Ultrapassando os limites da comutação de picossegundos

“Nossa atual observação mais rápida de comutação elétrica em Mn₃Sn é de 140 picossegundos, limitada principalmente pelo quão curtos os pulsos de corrente podem ser gerados em nossa configuração de dispositivo. No entanto, nossas descobertas sugerem que o próprio material pode mudar ainda mais rápido sob condições apropriadas. No futuro, pretendemos explorar esses limites finais criando pulsos de corrente ainda mais curtos e otimizando a estrutura do dispositivo. “

Embora as medições atuais sejam limitadas a 140 picossegundos, o verdadeiro limite de velocidade do material pode ser ainda mais curto. Ao refinar suas ferramentas experimentais e o design de dispositivos, os pesquisadores esperam descobrir quão rápida pode ser a mudança de spin antiferromagnético.