Material multiferroico cria bit com quatro estados diferentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/03/2012

Imagem por microscopia eletrônica da junção túnel multiferróica mostrando a estrutura extremamente regular da camada de PZT. As saliências em amarelo são os eletrodos ferromagnéticos, que permitem o acesso a cada junção.[Imagem: Marin Alexe/MPI of Microstructure Physics]

 

Bit com esteroides

Poucos meses atrás, cientistas conseguiram controlar o magnetismo de um material usando apenas a eletricidade.

Agora a coisa ficou ainda mais simples e mais promissora.

Usando um pulso elétrico, uma equipe do Instituto Max Planck, na Alemanha, demonstrou que é possível alterar a propriedade magnética de um material similar ao usado para o armazenamento de dados em discos rígidos e em memórias de acesso aleatório não-voláteis.

Este novo mecanismo de chaveamento significa que a informação gravada em um bit magnético poderá ser colocada não apenas em dois estados (0 ou 1), mas em quatro estados diferentes.

 

Processamento de dados

O mecanismo eletromagnético tem potencial para elevar drasticamente a densidade de armazenamento magnético, ou seja, a capacidade de colocar mais dados na mesma área, ou a mesma quantidade de dados em uma área menor.

Mas os benefícios vão além: segundo os pesquisadores, esse tipo de componente eletrônico - tecnicamente chamado de junção túnel multiferroica - pode ser particularmente eficiente no processamento de dados.

Isto porque o novo componente não utiliza a carga dos elétrons, mas apenas o seu spin - ou seja, trata-se de um componente da nascente spintrônica, com suas promessas de alta velocidade e baixíssimo consumo de energia.

 

Junção túnel multiferroica

Para entender o funcionamento desse mecanismo, imagine um sistema de controle de luminosidade de uma lâmpada - um dimmer - que seja capaz não apenas de mudar a intensidade do brilho da lâmpada, mas também a cor da luz emitida.

Embora brilho e cor sejam ambas características da luz, elas não podem ser manipuladas com uma chave única.

Dietrich Hesse e Marin Alexe deram um "jeitinho" usando sua junção túnel multiferroica, que tira proveito da corrente elétrica que tunela entre duas camadas de material ferromagnético que formam um sanduíche de um material misto conhecido como multiferroico.

multiferroico neste caso significa que o material inclui as duas substâncias ferromagnéticas, assim como um substância ferroelétrica.

A junção multiferroica pode assumir quatro diferentes resistências elétricas: duas para cada direção da polarização elétrica, uma para a mesma magnetização e outra para a magnetização oposta dos dois ferromagnetos. [Imagem: Pantel et al./Nature Materials]

 

Bits 4 em 1

Nos materiais ferroelétricos, a tensão alterna entre os dois sentidos de uma polarização elétrica - dependendo de sua polaridade - não muito diferente do que ocorre quando um campo magnético inverte a polaridade de um ímã.

Como os íons se movimentam dentro da estrutura do material durante este processo, a polarização permanece intacta, mesmo após a tensão ter sido reduzida.

É possível, no entanto, reverter o interruptor novamente aplicando uma tensão de mesma intensidade, mas com a polaridade invertida.

Assim, a junção multiferroica pode assumir quatro diferentes resistências elétricas: duas para cada direção da polarização elétrica, uma para a mesma magnetização e outra para a magnetização oposta dos dois ferromagnetos.

"Isso nos permite depositar três vezes mais informação em uma junção túnel multiferroica do que em um sistema de armazenamento magnético binário comum," afirmou Alexe.

 

Memórias magnéticas

O material ferromagnético usado é o manganato de estrôncio-lantânio (LSMO), em camadas de 30 nanômetros, enquanto o material ferroelétrico é o conhecido PZT, uma liga de chumbo, zircônio e titânio que vem sendo usada nos nanogeradores devido à sua propriedade de piezoeletricidade.

Com o novo mecanismo, o tamanho das memórias de acesso aleatório magnéticas(MRAM) poderá ser consideravelmente reduzido.

As MRAMs representam uma alternativa às RAMs convencionais, operadas eletricamente, porque elas são não-voláteis, dispensando o carregamento dos dados do disco rígido para a memória durante a inicialização, o que significa que o computador estaria pronto para ser usado ao apertão de um botão.

 

Bibliografia:
Reversible electrical switching of spin polarization in multiferroic tunnel junctions
D. Pantel, S Goetze, Dietrich Hesse, Marin Alexe
Nature Materials
26 February 2012
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/NMAT3254

Fonte: Inovação Tecnológica

IBM anuncia avanços rumos ao computador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/03/2012

O chip de silício medindo 8mm x 4mm contém apenas 3 qubits. Um sistema equivalente que alcançasse 250 qubits teria mais dados (0s e 1s) do que há estrelas no Universo. [Imagem: IBM Research]

Erros quânticos

Cientistas da IBM anunciaram avanços importantes rumo à construção de um computador quântico - ou, pelo menos, de um computador híbrido eletrônico-quântico.

Os avanços foram conseguidos na correção de erros e na manutenção da integridade dos dados gravados nos bits quânticos, os qubits.

Dentre as várias tecnologias sendo pesquisadas para a computação quântica, Matthias Steffen e seus colegas optaram pelos qubits supercondutores.

A principal vantagem dessa plataforma é que os futuro chips quânticos poderiam ser construídos com a mesma tecnologia hoje usada para o silício, o que pode facilitar sua construção em larga escala.

Um dos maiores desafios a vencer no caminho de uma computação quântica prática é a chamada decoerência quântica - essencialmente a perda dos dados dos qubits, que pode ser induzida por defeitos no material, por radiação eletromagnética, ou até mesmo pelo calor.

É necessário manter os dados em cada qubit, de forma confiável, por um tempo longo o suficiente para que esses dados possam ser usados para a realização de cálculos.

Tempo de vida dos dados

A equipe da IBM agora alcançou um tempo de vida do dado no qubit de 100 microssegundos, mais do que o dobro do melhor resultado obtido anteriormente.

O feito foi obtido em um sistema de qubits 3-D, ou qubits supercondutores, um esquema proposto por uma equipe da Universidade de Yale há cerca de dois anos.

Em um experimento separado, usando qubits 2D, o tempo de vida do dado no qubit alcançou uma ordem de magnitude a menos, ou seja, 10 microssegundos.

Estes são os dois qubits 3D, feito de materiais supercondutores contidos em uma cavidade que mede 3,8 centímetros. O qubit propriamente dito mede 1 mm, mas espera-se que a miniaturização possa ser aplicada a todo o conjunto. [Imagem: IBM Research]

Segundo os pesquisadores, "este valor atinge o limite mínimo para permitir o uso de esquemas efetivos de correção de erros, e sugere que os cientistas podem começar a focar em aspectos mais amplos de engenharia, já com vistas à escalabilidade."

Os ganhos foram testados em um sistema de apenas dois qubits, realizando uma operação lógica chamada CNOT (NOT controlado).

Graças ao longo tempo de vida do qubit - aquele dos 10 microssegundos - a operação alcançou uma taxa de sucesso de 95%.

Computador híbrido eletrônico-quântico

O grupo acredita que o tempo de vida do qubit permitirá a implementação futura de esquemas de correção de erros - um sistema de correção de erros exige um mínimo de 3 qubits.

O objetivo final é eliminar as taxas de insucesso, aproximando a confiabilidade das operações dos 100%, como é necessário em um computador prático.

Para entender melhor essa busca por robustez para os bits quânticos, veja a matéria:

• Brasileiros dão robustez ao entrelaçamento quântico

Apesar das grandes expectativas criadas por um computador quântico autêntico, os pesquisadores da IBM estão apostando em um enfoque híbrido, em que componentes quânticos são mesclados com os componentes tradicionais dos processadores eletrônicos.

Segundo a empresa, transistores quânticos estarão nos computadores por volta de 2017.

Esse foi também o caminho seguido pela D-Wave, a primeira empresa a colocar umprocessador híbrido quântico-eletrônico no mercado.

Fonte: Inovação Tecnológica

Baterias líquidas chegam a meio caminho da energia limpa

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/02/2012

O funcionamento de uma bateria líquida de fluxo é simples, mas implementá-la exige um aparato do tamanho de uma casa.[Imagem: Staiger et al./Sandia Lab]

 

Baterias para energia limpa

Um relatório recente, listando astecnologias emergentes para o século 21, afirma que baterias melhores são essenciais para que as tecnologias deenergia limpa se tornem realidade.

Isto porque as principais fontes alternativas de energia, como solar,eólica, das ondas e das marés, sofrem de flutuações ao longo do dia e das estações.

Assim, é necessário dispor de sistemas de armazenamento de energia capazes de guardar a eletricidade gerada para que ela possa ser usada quando necessário, ou para liberá-la de forma contínua.

Uma dentre as alternativas que estão sendo consideradas são as chamadas baterias líquidas, ou baterias de fluxo, que podem ser recarregadas rapidamente, têm grande densidade de energia e suportam milhares de ciclos de carga e descarga.

Em laboratório, as baterias de fluxo já alcançaram até 14.000 ciclos, o equivalente a 20 anos de operação ininterrupta - algo impensável para as baterias de lítio.

• "Complete a bateria": baterias poderão ser reabastecidas com carga

Deficiências das baterias de fluxo

Mas há problemas. As baterias de fluxo são grandes, mais ou menos do tamanho de uma casa, e não são baratas - na verdade, elas não são muito mais baratas do que uma bateria de íons de lítio que tivesse o tamanho de uma casa.

Há baterias de fluxo em escala de demonstração sendo construídas nos EUA, no Japão e na Austrália, algumas com capacidades que chegam a 25 MW.

As tecnologias preferidas são as de vanádio e bromo, que têm suas próprias deficiências.

O material que guarda a energia é tóxico, os preços dos dois metais estão longe de ser estáveis, e a solução aquosa que essas baterias empregam limita a quantidade de material que pode ser dissolvido e, por decorrência, a quantidade de energia que pode ser armazenada.

Os novos líquidos iônicos metálicos dispensam o bromo e o vanádio, e usam metais de preço mais baixo e menos sujeitos a fortes flutuações, como ferro, cobre e manganês. [Imagem: Pratt III et al./Dalton Transactions]

 

Líquidos iônicos metálicos

Uma solução começa a surgir agora, pelas mãos de cientistas dos Laboratórios Sandia, nos Estados Unidos.

David Ingersoll e seus colegas criaram uma nova classe de líquidos iônicos metálicos, eletroquimicamente reversíveis, que eles chamaram deMetILs.

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A primeira vantagem do novo material é que ele dispensa o bromo e o vanádio, e usa metais de preço mais baixo e menos sujeitos a fortes flutuações, como ferro, cobre e manganês.

E, como se baseia em líquidos iônicos, o sistema dispensa a água, eliminando uma das deficiências das baterias de fluxo.

"Em vez de dissolver o sal em um solvente, nosso sal é um solvente," diz o Dr. Travis Anderson, coordenador da equipe. "Nós obtivemos uma concentração muito mais elevada do metal ativo porque não ficamos limitados pela saturação."

 

Novo padrão ouro

Os ganhos não são pequenos: a densidade de energia da bateria foi multiplicada por três, o que reduziu drasticamente o tamanho da bateria.

Além disso, a eficiência eletroquímica dos MetILs é superior a tudo o que está relatado na literatura científica até agora.

A equipe preparou quase 200 combinações de cátions, ânions e ligantes. Dentre eles, cinco superaram a eficiência eletroquímica do ferroceno, considerado o padrão ouro da área.

Mas o milagre ainda não está totalmente pronto: todos os resultados se aplicam aos materiais usados nos catodos das baterias de fluxo.

Agora os cientistas estão trabalhando na identificação de materiais para os anodos.

 

Bibliografia:
Synthesis and characterization of ionic liquids containing copper, manganese, or zinc coordination cations
Harry D. Pratt III, Alyssa J. Rose, Chad L. Staiger, David Ingersoll, Travis M. Anderson
Dalton Transactions
Vol.: 40, 11396-11401
DOI: 10.1039/C1DT10973A

Fonte: Inovação Tecnológica