Spintrônica

A spintrónica ^{(português europeu)} ou spintrônica ^{(português brasileiro)} (um neologismo para "eletrônica baseada em spin"), também conhecida como magnetoelectrônica,é uma tecnologia emergente que explora uma propriedade quântica dos elétrons chamada spin, que pode ser influenciada por um campo magnético. O spin se manifesta como um estado magnético de energia fraca, detectável de diferentes formas e relacionado à fração do próprio spin, que pode ser inteiro, meio, etc. No caso do elétron, seu spin pode existir em uma superposição quântica entre os estados "spin para baixo" e "spin para cima".^{[1][2] [3]}

O uso convencional do estado eletrônico em semicondutores possui razões puramente binárias, onde o estado ou fluxo do elétron representa apenas 0 ou 1, e a faixa de oito bits pode representar um número entre 0 e 255, mas apenas um número de cada vez. Bits quânticos spintrônicos (conhecidos como qubits) exploram o estado "spin para cima" e "spin para baixo" como superposições de 0 ou 1 intrinsecamente, então, um registrador de dois qubits spintrônicos poderia ter oito estados possíveis ao invés de quatro.

Graças à spintrônica foi possível, por exemplo, aumentar tremendamente a velocidade de leitura e escrita dos atuais discos rígidos graças a uma tecnologia denominada GMR (giant magnetoresistance) resistência magnética gigante,^[4] descoberta pelos Profs. Albert Fert .^[5] e Peter Grünberg . (1988),^[6] feito que lhes deu o Prêmio Nobel de Física de 2007.^[7] Basicamente essa descoberta baseia-se no fato de que quando os elétrons estão com o seu spin orientado com um definido campo magnético, a resistência à sua passagem diminui muito (resistência elétrica), o que significa maiores correntes para a mesma tensão e portanto maior velocidade no processo de leitura ou gravação, fato que também possibilitou aumentar a densidade de bits nas trilhas dos discos, nos possibilitando hoje discos de muito maior capacidade e em tamanhos físicos ainda menores, como por exemplo os atuais discos de 1 ou 2 TB de tamanho reduzido para notebooks e tablets.

A spintrônica também está presente nas novas memórias de computador, chamadas de memórias MRAM Magnetoresistive Random Access Memory. O propósito desta nova memória é armazenar dados que seriam perdidos caso o computador fosse desligado. Como o spin do elétron é um fenômeno da física do estado sólido, e ocorre independentemente de alimentação de energia externa, ele tornou possível a memória denominada Solid State Memory (memória de estado sólido) que não tem seu estado alterado pela interrupção da energia no sistema, ou seja o usuário pode então desligar e religar o computador que a informação registrada na memória não se altera e portanto pode-se continuar digitando o texto em que se estava trabalhando.

Pesquisadores acreditam que além do armazenamento de dados, a spintrônica pode ser aplicada aos semicondutores, criação de processadores para computadores quânticos, entre outros.

Existe diversas aplicações, mas o ponto forte pesquisado é a utilização do "entrelaçamento" quântico que existe entre os elétrons assim sendo possível transmitir uma informação apenas com o gasto de energia de produzir o primeiro pulso ("girar" um elétron, mudar a orientação do seu spin), pois a partir deste pulso toda a cadeia ligada a este elétron ira responder da mesma forma mudando a orientação do seu spin e não gastando energia a mais para isso.

A espintrónica emergiu de descobertas na década de 1980 relativas a fenómenos de transporte de eletrões dependentes de spin em dispositivos de estado sólido. Isso inclui a observação da injeção de eletrões com spin polarizado de um metal ferromagnético para um metal normal por Johnson e Silsbee (1985)^[8] e a descoberta da magnetorresistência gigante independentemente por Albert Fert et al.^[9] e Peter Grünberg et al. (1988).^[10] A origem da espintrônica pode ser rastreada até os experimentos de tunelamento ferromagneto/supercondutor pioneiros de Meservey e Tedrow e experimentos iniciais em junções de túnel magnético por Julliere na década de 1970.^[11] O uso de semicondutores para espintrônica começou com a proposta teórica de um transistor de efeito de campo de spin por Datta e Das em 1990^[12] e da ressonância de spin de dipolo elétrico por Rashba em 1960.^[13]

Em 2012, hélices de spin persistentes de elétrons sincronizados foram feitas para durar por mais de um nanossegundo, um aumento de 30 vezes em relação aos esforços anteriores, e mais longo do que a duração de um ciclo de clock de um processador moderno.^[14]

Em 2025, a 60 K (−213,2 °C; −351,7 °F), o iodeto de níquel(II) cristalino (${\displaystyle {\ce {Ni(II)I2}}}$) foi relatado como exibindo magnetismo de onda p, no qual os spins dos átomos de níquel se organizam em um padrão espiral em duas orientações. As orientações podem ser alternadas através de uma pequena corrente elétrica. Aplicado em dispositivos digitais, este comportamento espintrônico requer muito menos corrente do que a eletrônica convencional baseada em carga que alimenta dispositivos como computadores e telefones.^[15]

Ver artigo principal: Spin (física)

O spin do elétron é um momento angular intrínseco que é separado do momento angular devido ao seu movimento orbital. A magnitude da projeção do spin do elétron ao longo de um eixo arbitrário é ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\hbar }$, implicando que o elétron atua como um férmion pelo teorema da estatística do spin. Como o momento angular orbital, o spin possui um momento magnético associado, cuja magnitude é expressa como

${\displaystyle \mu ={\tfrac {\sqrt {3}}{2}}{\frac {q}{m_{e}}}\hbar }$.

Em um sólido, os spins de muitos elétrons podem agir juntos para afetar as propriedades magnéticas e eletrônicas de um material, por exemplo, dotando-o de um momento magnético permanente como em um ferromagneto.

Em muitos materiais, os spins dos elétrons estão igualmente presentes tanto no estado "up" (para cima) quanto no "down" (para baixo), e nenhuma propriedade de transporte depende do spin. Um dispositivo espintrônico requer a geração ou manipulação de uma população de elétrons com spin polarizado, resultando em um excesso de elétrons com spin up ou spin down. A polarização de qualquer propriedade X dependente de spin pode ser escrita como

${\displaystyle P_{X}={\frac {X_{\uparrow }-X_{\downarrow }}{X_{\uparrow }+X_{\downarrow }}}}$.

Uma polarização de spin líquida pode ser alcançada através da criação de uma divisão de energia de equilíbrio entre spin up e spin down. Os métodos incluem colocar um material em um grande campo magnético (efeito Zeeman), a energia de troca presente em um ferromagneto ou forçar o sistema para fora do equilíbrio. O período de tempo em que tal população fora do equilíbrio pode ser mantida é conhecido como o tempo de vida do spin, ${\displaystyle \tau }$.

Em um condutor difusivo, um comprimento de difusão de spin ${\displaystyle \lambda }$ pode ser definido como a distância sobre a qual uma população de spin fora do equilíbrio pode se propagar. Os tempos de vida de spin de elétrons de condução em metais são relativamente curtos (tipicamente menos de 1 nanossegundo). Uma área de pesquisa importante é dedicada a estender este tempo de vida para escalas de tempo tecnologicamente relevantes.

Os mecanismos de decaimento para uma população de spin polarizada podem ser amplamente classificados como espalhamento por inversão de spin (spin-flip) e desfasagem de spin. O espalhamento spin-flip é um processo dentro de um sólido que não conserva o spin e pode, portanto, alternar um estado de entrada spin up para um estado de saída spin down. A desfasagem de spin é o processo no qual uma população de elétrons com um estado de spin comum torna-se menos polarizada ao longo do tempo devido a diferentes taxas de precessão de spin eletrônico. Em estruturas confinadas, a desfasagem de spin pode ser suprimida, levando a tempos de vida de spin de milissegundos em pontos quânticos semicondutores a baixas temperaturas.

Supercondutores podem aumentar efeitos centrais na espintrônica, como efeitos de magnetorresistência, tempos de vida de spin e correntes de spin sem dissipação.^[16][17]

O método mais simples de gerar uma corrente polarizada por spin em um metal é passar a corrente através de um material ferromagnético. As aplicações mais comuns deste efeito envolvem dispositivos de magnetorresistência gigante (GMR). Um dispositivo GMR típico consiste em pelo menos duas camadas de materiais ferromagnéticos separadas por uma camada espaçadora. Quando os dois vetores de magnetização das camadas ferromagnéticas estão alinhados, a resistência elétrica será menor (assim, uma corrente maior flui a uma voltagem constante) do que se as camadas ferromagnéticas estiverem anti-alinhadas. Isso constitui um sensor de campo magnético.

Duas variantes de GMR foram aplicadas em dispositivos: (1) corrente no plano (CIP), onde a corrente elétrica flui paralelamente às camadas e (2) corrente perpendicular ao plano (CPP), onde a corrente elétrica flui em uma direção perpendicular às camadas.

Outros dispositivos espintrónicos baseados em metais:

Magnetorresistência de tunelamento (TMR), onde o transporte CPP é alcançado usando o tunelamento mecânico-quântico de elétrons através de um isolante fino que separa camadas ferromagnéticas.

Torque de transferência de spin, onde uma corrente de elétrons polarizados por spin é usada para controlar a direção da magnetização de eletrodos ferromagnéticos no dispositivo.

Dispositivos de lógica de onda de spin carregam informações na fase. A interferência e o espalhamento de ondas de spin podem realizar operações lógicas.

• Computador quântico
• Semicondutor
• Microprocessador
• Memória RAM

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