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Novas formas de lidar com informações?

Sentido do elétron e seu spin

  • Sentido do Elétron e seu spin

A vida de grande parte da população depende de tecnologias baseadas em dispositivos eletrônicos. Na maioria das casas dos brasileiros existe pelo menos um equipamento eletrônico, seja um aparelho de televisão ou rádio de pilhas. Em particular, para ler esta coluna você necessita acessar um computador, equipamento totalmente dependente da eletrônica. Você imagina como equipamentos eletrônicos funcionam?

Quem já abriu um computador, ou mesmo um aparelho de televisão, viu que, no seu interior, existem “caixinhas” soldadas em uma placa cheias de trilhas. É justamente nessas pequenas coisas que tudo acontece.

Para compreendermos melhor como funcionam os dispositivos eletrônicos é importante lembrar que os átomos são constituídos basicamente por prótons, nêutrons e elétrons. Os prótons têm carga elétrica positiva e os nêutrons não possuem carga elétrica. Os dois compõem o núcleo atômico. Para contrabalançar a carga positiva dos prótons existem os elétron, com carga negativa. Estes “giram” ao redor do núcleo atômico. Em alguns materiais, como nos metais, os elétrons podem ser facilmente removidos dos átomos criando uma corrente elétrica.

O princípio de funcionamento dos circuitos eletrônicos é o controle do fluxo de corrente elétrica através dos componentes desses circuitos. Em particular, o processador do computador (o componente mais importante) realiza milhões de operações por segundo para exibir essa página da internet. Como qualquer outro programa que roda no computador uma intricada rede de operações lógicas são processadas através da ativação dos bilhões de componentes que existem no interior do processador. Estes componentes essencialmente funcionam como chaves de ligar/desligar, controlando os fluxos de corrente e tensão elétrica.

Além de processar informações, os computadores também precisam armazená-las. Internamente, todo computador tem um disco rígido que grava as informações, magneticamente. Existem outros dispositivos que são utilizados para gravação, como os discos óticos de CD e DVD, memórias de estado sólido (os chamados “pendrives”) etc. Contudo, os programas principais, como o sistema operacional, por exemplo, são gravados no disco rígido.

Atualmente, existe uma nova fronteira de pesquisa que poderá levar a mais revolução nos computadores. Ela se chama “spintrônica” – a eletrônica de spins.

O spin é uma propriedade que todas as partículas que compõem a matéria possuem. A palavra “spin” em inglês significa “rodopio”. Poderíamos imaginar que partículas, como os elétrons, tenham rotação. Contudo, como foi demonstrado pela mecânica quântica, um elétron (ou qualquer outra partícula elementar do átomo) não pode ser descrito apenas como partícula, mas este também apresenta comportamento como se fosse uma onda. De fato, o spin é uma propriedade que não se compara com nada que existe em nossa volta. Ele está associado com a maneira que os elétrons ocupam os níveis de energia no átomo. Um elétron pode ter o spin “up” (para cima) ou “down” (para baixo). Essa nomenclatura é apenas para diferenciar duas situações. Nos átomos não existe o “para cima” e “para baixo”.

O objetivo da spintrônica é aproveitar essa propriedade dos elétrons. A idéia é controlar um fluxo de corrente em um dispositivo, não somente pela carga dos elétrons, mas também pelo spin. A carga do elétron é afetada pela ação de campos elétricos. O spin é afetado pelo campo magnético. Portanto, poderíamos ter dispositivos mais rápidos e que dissipassem menos energia utilizando o spin propriedade do elétron, pois ação dos campos magnéticos não levam a dissipação de energia quando interagem com o spin, tornando as operações mais rápidas e econômicas.

Atualmente, todos os computadores utilizam um dispositivo “spintrônico”. Todos os discos rígidos, utilizados para gravar os programas e arquivos nos computadores, são acessados por um dispositivo “magnetorresistivo”. A magnetorresistência gigante foi descoberta 1986 na França por um grupo de pesquisadores liderados por Albert Fert da Universidade de Orsay. Fazia parte desse grupo o professor Mario Baibich da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Eles descobriram que um material especialmente fabricado na forma de algumas camadas de átomos de Ferro (material magnético) separadas por um material não magnético tinha a sua resistência elétrica diminuída em quase 80 %  quando se aplicava um campo magnético.

A explicação para esse fato é que, quando se magnetiza as camadas de Ferro, facilita-se o fluxo de elétrons com determinado spin. Dessa forma, esse material pode ser usado com um sensor muito preciso para detectar sinais magnéticos. Por essa descoberta Albert Fert e o físico alemão Peter Grünberg (que tinha observado o acoplamento magnético entre as camadas de Fe) ganharam o prêmio Nobel de Física de 2007.

Esse fenômeno rapidamente foi utilizado para construir dispositivos para “ler” informações gravadas nos discos rígidos. Com o advento da magnetorresistência gigante foi possível gravar as informações em espaços cada vez menores (aumentando a capacidade de gravação) e acessá-la de uma maneira mais rápida.

No momento, existe o desenvolvimento de outros dispositivos baseados na spintrônica como uma memória de acesso aleatório magnética (MRAM – magnetic random acesses memory) que substituirá as atuais memória RAM dos computadores. Novos fenômenos estão sendo investigados, como o efeito magnetoelétrico, no qual espera-se obter materiais que exibam as propriedades magnéticas que possam ser controladas por campos elétricos e vice-versa.

O desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em dispositivos spintrônicos transformarão profundamente não somente os computadores, mas também outros aparelhos que dependem da manipulação de informação. É difícil fazer uma previsão onde tudo isso poderá nos levar, pois a natureza sempre pode nos surpreender.

 

  • Foto de Adílson de Oliveira
  • Adilson J A de Oliveira
    São Carlos, SP, Brazil
  • Doutor em Ciências e Professor Associado do Departamento de Física da UFSCar - membro do Grupo de Supercondutividade e Magnetismo e do Núcleo de Excelência de Materiais Nanoestruturados Fabricados Eletroquimicamente, Coordenador do Laboratório Aberto de Interatividade Editor da Revista Digital de Divulgação Científica Click Ciência

    e-mail: adilson@df.ufscar.br