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Tecnologia do futuro: Spintrônica
Nascida no fim dos anos 80, a spintrônica é considerada o novo paradigma da eletrônica baseada no spin, um grau de liberdade intrínseco do elétron. O termo vem da contração da frase spin transport electronics, onde o portador de informação é o spin do elétron, e não mais sua carga. Esta característica oferece diversas possibilidades para a nova geração de dispositivos combinando a microeletrônica já existente com efeitos dependentes de spin. Adicionando o spin à eletrônica convencional, a performance e capacidade dos produtos deve aumentar substancialmente, incrementando os dispositivos com a não-volatilidade de informação, velocidade de processamento de dados, menor consumo de energia e aumento na densidade de integração de circuitos.
Entretanto, ainda existem barreiras nesta área que impedem a implementação real dos dispositivos, por exemplo a otimização do tempo de vida do spin, a detecção de coerência de spin em escalas nanométricas, o transporte de portadores polarizados por longas distâncias e heterointerfaces, e a manipulação dos spins eletrônicos e nucleares em períodos curtos. A combinação de eletrônica, fotônica e magnetismo permitirá o surgimento de novos dispositivos multifuncionais baseados em spin, como spin-FET (field effect transistor), spin-LED (light-emiting diode), spin-RTD (resonance tunneling diode), chaveadores ópticos operando em freqüências de terahertz, moduladores, decodificadores e qubits para computação e comunicação quântica.
O sucesso desses dispositivos depende de um claro entendimento das interações fundamentais em materiais no estado sólido. Quando for possível realizar o controle do spin em estruturas semicondutoras e ferromagnéticas, finalmente será possível então compreender o potencial da spintrônica.
Os dispositivos spintrônicos metálicos surgiram no final dos anos 80 com a descoberta da magnetorresistência gigante (GMR). Dispositivos spintrônicos metálicos, como cabeçotes de leitura de discos rígidos e memória magnética de acesso aleatório (MRAM), são algumas das tecnologias mais bem sucedidas da última década. Nesta geração de dispositivos não havia uma preocupação significativa com o transporte coerente de portadores polarizados, apenas com o controle da polarização local de portadores.
Cabeçote de leitura de disco usando GMR
A física de dispositivos semicondutores spintrônicos percorreu um caminho similar aos dispositivos metálicos e teve um avanço significativo nos últimos anos. A busca por fenômenos dependentes de spin à temperatura ambiente tem sido um dos grandes alvos de pesquisa na última década, indicando que dispositivos operando nessa faixa de temperatura podem ser implementados em um futuro próximo.
A spintrônica de semicondutores possui diversas características interessantes para um dispositivo. Um dispositivo spintrônico coerente pode, a princípio, exercer várias operações independentes simultaneamente após atingirem equilíbrio térmico. O uso do spin pode aumentar substancialmente a velocidade de processamento de informação, pois o limitante do chaveamento de bits não será mais a capacitância do dispositivo e sim a frequência de precessão do spin eletrônico, variando de GHz a THz. Não-volatilidade de dados armazenados usando spin, assim como o longo tempo de polarização permitem um grande avanço no armazenamento de dados e no acoplamento optoeletrônico. Além dos fatores diretamente envolvidos com os possíveis dispositivos, os semicondutores também podem ser um caminho para a implementação da computação quântica, através do isolamento de spins. E todos esses dispositivos serão implementados de forma a possuírem tamanho reduzido, multifuncionalidade e baixo consumo de energia.
Entretanto, perspectivas implicam em desafios. A otimização do transporte de spin, mantendo a polarização e a coerência, assim como a injeção de spin em regiões não-magnéticas e a detecção dos mesmos são passos importantes para a viabilidade de dispositivos.
A busca por materiais que combinem propriedades ferromagnéticas e semicondutoras tem sido um grande objeto de estudo nos últimos anos. Os semicondutores ferromagnéticos (FS) possuem grande potencial para se tornarem fonte de portadores de spin polarizados e também são facilmente integráveis a dispositivos semicondutores. Um FS ideal possuiria temperaturas de Curie acima da temperatura ambiente e também permitiria tanto a dopagem tipo-p como a tipo-n. Entretanto, as temperaturas de Curie desses materiais estão bastante abaixo da temperatura ambiente, e não apresentam grandes perspectivas de aumento.
Os semicondutores magnéticos diluídos (DMS – diluted magnetic semicondutors) são ligas onde alguns íons são aleatoriamente substituídos por metais de transição, como Mn, Co e outros, de forma a gerar um semicondutor com regiões contendo momento magnético local. Estes materiais podem ser usados na criação, injeção e transporte de portadores polarizados. Alguns DMS’s baseados em semicondutores III-V apresentaram ferromagnetismo em temperaturas da ordem de 110 K, e existem previsões teóricas acima da temperatura ambiente para diversas classes desses materiais. Outra promissora classe de materiais aplicáveis à spintrônica são os óxidos ferromagnéticos, cuja previsão é que sejam meio-metálicos. Tais materiais apresentam alta polarização, e alguns estudos mostram que é possível obter ferromagnetismo acima da temperatura ambiente para os mesmos.
