O Transistor Magnon Topológico proposto por James Analytis será construído sobre um isolador de película fina de Mott (verde), com contatos que consistem em um injetor de spin (I), um modulador (M) e componentes de memória (V1-3). O TMT é ativado alterando a configuração de spin do isolador Mott, o que pode ser feito pela injeção criteriosa de spin em uma direção ou outra (setas vermelhas). Crédito: Universidade da Califórnia – Berkeley
Em 1965, Gordon Moore, da Intel, previu que os microprocessadores dobrariam de velocidade e capacidade a cada dois anos. Essa previsão, agora conhecida como “Lei de Moore”, foi, com algumas modificações em 1975, confiavelmente profética até agora. Estamos nos aproximando rapidamente dos limites da Lei de Moore, ao mesmo tempo que as demandas sobre o desempenho dos microprocessadores continuam a crescer em um ritmo cada vez mais rápido. A solução pode estar em uma tecnologia emergente cujo nome se parece com um personagem no Universo Marvel – magnônica.
Assim como um fóton atua como uma onda de luz e um fônon como uma onda sonora de escala atômica, um magnon atua como uma onda de magnetismo propagada por uma propriedade quântica dos elétrons conhecida como “spin”. O Bakar Fellow James Analytis acredita que os magnons podem ser aproveitados para atender às necessidades futuras de processamento de dados de alta velocidade, alta fidelidade e eficiência energética que ultrapassa os limites da Lei de Moore.
Elétrons magnetizados agem como ímãs giratórios que são configurados em uma direção “para cima” ou “para baixo”. Esta propriedade quântica intrínseca conhecida como “spin” pode ser usada para codificar informações. Em uma classe exótica de materiais chamados isoladores de Mott, o spin pode ser transportado por magnons – às vezes chamados de ondas de spin. Analytis gostaria de usar magnons para transportar informações. Uma vez que os próprios elétrons permanecem estacionários à medida que os magnons passam por eles, não há calor a ser dissipado, o principal fator limitante da Lei de Moore.
Analytis, professor associado do Departamento de Física que detém a Cátedra Charles Kittel em física da matéria condensada e também é cientista do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), acredita que a exploração de magnons em isoladores de Mott pode representar um novo paradigma em tecnologia da Informação.
P: Você pode descrever brevemente o que é magnônica e quais as vantagens que ela oferece em relação a outras tecnologias de microprocessador?
R: Todos os ímãs têm “ordem magnética”, o que significa que os spins de seus elétrons estão travados juntos em uma configuração fixa. Como os giros se movem coletivamente, quando você faz ping em um giro, o movimento se move através dos outros como uma vibração sísmica se move pela terra. Os spins coletivos são carregados pelos magnons da mesma forma que os spins individuais são carregados pelo fluxo de elétrons, mas os magnons carregam os spins mais rápido e com menor dissipação de calor do que os elétrons.
P: A maior parte da pesquisa sobre isoladores de Mott se concentrou no fluxo de carga de elétrons que permite que esses materiais façam a transição de condutores para isoladores. Por que os isoladores Mott são adequados para o estudo de magnons?
R: Até onde sabemos, ninguém olhou seriamente para essa abordagem antes, mas os isoladores Mott têm uma dinâmica de rotação coletiva muito incomum que deve nos permitir empurrar seus giros para diferentes configurações sem gastar muita energia. Estamos começando com heteroestruturas de isoladores Mott e metais pesados que nos permitirão adicionar e remover spin no isolador Mott.
P: Como você aplicará seu Fundo Bakar Spark a esse esforço?
R: No primeiro ano, o fundo será usado para fabricar um protótipo de Transistor Magnon Topológico (TMT) em que o spin seria a informação transportada. O TMT será ligado e desligado simplesmente alterando a configuração de spin do isolador Mott, o que pode ser feito pela injeção criteriosa de spin em uma direção ou outra. Esperamos que este protótipo opere com uma potência três ordens de magnitude menor do que os sistemas relacionados e seja capaz de transportar informações em velocidades terahertz por dezenas de mícrons, o que supera outras plataformas por um fator de 20 ou mais.
P: Onde esse trabalho será feito?
R: Temos trabalhado com colaboradores no Japão para fabricar filmes finos heteroestruturados. Em seguida, faremos uso extensivo das instalações de nanofabricação da Fundição Molecular do Berkeley Lab, especialmente os sistemas de feixe de íons focados, microscópio eletrônico de varredura, litografia eletrônica e microscopia confocal.
P: O que você vê como a aplicação inicial mais provável de sua proposta de tecnologia magnônica Mott?
R: Inicialmente, suponho que seja a memória, na qual as configurações de spin disponíveis nos isoladores Mott são usadas para armazenar informações. Depois disso, seria lógica e computação ultrarrápida. Os dispositivos de memória podem ser obtidos de maneira direta, enquanto o processamento de dados requer um pouco mais de engenharia. Acredito que estamos entrando em uma nova era em dispositivos quânticos, não baseada na física simples dos elétrons individuais, mas na bela e complexa física do movimento coletivo dos elétrons.
Publicado em 04/12/2021 21h24
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