A equipe de pesquisa do Dr. Dong-Soo Han no Centro de Pesquisa em Tecnologia de Semicondutores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST), em colaboração com as equipes de pesquisa do Prof. Jung-Il Hong na DGIST e do Prof. Kyung-Hwan Kim na Universidade de Yonsei, desenvolveu um princípio de dispositivo que pode utilizar a “perda de spin”, que anteriormente era considerada uma simples perda, como uma nova fonte de energia para controle magnético.
A spintrônica é uma tecnologia que utiliza a propriedade de “spin” dos elétrons para armazenar e controlar informações, sendo reconhecida como uma base fundamental para tecnologias de processamento de informação de próxima geração, como memória de ultra-baixo consumo, chips neuromórficos e dispositivos computacionais para computação estocástica, já que consome menos energia e é mais não volátil do que os semicondutores convencionais. Esta pesquisa é significativa porque apresenta uma nova abordagem que pode melhorar significativamente a eficiência desses dispositivos de spintrônica.
Uma equipe de pesquisadores identificou um novo fenômeno físico que permite que materiais magnéticos mudem espontaneamente a direção de sua magnetização interna sem estímulos externos. Materiais magnéticos são essenciais para a próxima geração de dispositivos de processamento de informação que armazenam informações ou realizam computações ao alterar a direção de sua magnetização interna. Por exemplo, se a direção da magnetização for para cima, é reconhecida como ‘1’, e se for para baixo, é reconhecida como ‘0’, permitindo o armazenamento ou a computação de dados.
Tradicionalmente, para inverter a direção da magnetização, uma grande corrente é aplicada para forçar o spin dos elétrons a entrar no ímã. No entanto, esse processo resulta em perda de spin, onde parte do spin não alcança o ímã e é dissipada, sendo considerada uma importante fonte de desperdício de energia e baixa eficiência.
Os pesquisadores concentraram-se no design de materiais e melhorias de processos para reduzir a perda de spin. Mas agora, a equipe descobriu que a perda de spin tem, na verdade, o efeito oposto, alterando a magnetização. Isso significa que a perda de spin induz uma comutação espontânea da magnetização dentro do material magnético, da mesma forma que um balão se move como reação ao vento que é retirado dele.
Em seus experimentos, a equipe demonstrou o paradoxo de que quanto maior a perda de spin, menos energia é necessária para mudar a magnetização. Como resultado, a eficiência energética é até três vezes maior do que os métodos convencionais, e pode ser realizada sem materiais especiais ou estruturas complexas de dispositivos, tornando-a altamente prática e escalável industrialmente.
Além disso, a tecnologia adota uma estrutura de dispositivo simples que é compatível com os processos semicondutores existentes, o que a torna altamente viável para produção em massa, além de ser vantajosa para miniaturização e alta integração. Isso possibilita aplicações em diversos campos, como semicondutores para IA, memória de ultra-baixo consumo, computação neuromórfica e dispositivos de computação baseados em probabilidade. Em particular, espera-se que o desenvolvimento de dispositivos de computação de alta eficiência para IA e computação de borda avance rapidamente.
“Até agora, o campo da spintrônica concentrou-se apenas na redução das perdas de spin, mas apresentamos uma nova direção ao usar essas perdas como energia para induzir a comutação da magnetização,” disse o Dr. Dong-Soo Han, pesquisador sênior do KIST. “Pretendemos desenvolver ativamente dispositivos semicondutores de IA ultra-pequenos e de baixo consumo, pois eles podem servir como base para tecnologias de computação de ultra-baixo consumo que são essenciais na era da IA.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério da Ciência e TIC (Ministro Bae Kyung-hoon) por meio do Programa Institucional do KIST, do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Global TOP (GTL24041-000) e do Projeto de Pesquisa Básica da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (2020R1A2C2005932). Os resultados desta pesquisa foram publicados na edição mais recente da revista internacional Nature Communications (IF 15.7, campo JCR 7%).