Toda espécie de informação trabalhada pela eletrônica atual é baseada no movimento dos elétrons e nos efeitos que esse movimento tem. No entanto, uma nova revolução, que começou há alguns anos, e que culminou com o prêmio Nobel e física de 2007, deve mudar essa abordagem. Em lugar de usarmos apenas o movimento dos elétrons através de um meio para transportar informações, passaremos a empregar o estado quântico de cada elétron ou spin para transportar os bits de informação. Veja nesse artigo como isso é possível e como tudo isso nos leva a uma nova tecnologia denominada spintrônica. (2008)
Tanto os dispositivos da eletrônica analógica como da eletrônica digital operam baseados exclusivamente no movimento dos elétrons através de um meio e dos efeitos que esse movimento manifesta.
Num sinal analógico, por exemplo, são as variações de um fluxo de elétrons que transportam a informação, enquanto que num circuito digital é a presença ou ausência de um fluxo de elétrons que transporta a informação correspondente aos bits.
No entanto, estudos realizados desde os anos 90, mostram que é possível construir dispositivos eletrônicos que operam a partir de um estado próprio dos elétrons, denominado spin, que pode ser usado para transportar ou armazenar informações.
A possibilidade de se associar um bit a cada elétron ou a uma certa quantidade de elétrons abre as portas para a criação de dispositivos de armazenamento de dados com uma densidade até então inimaginada. Podemos dizer que, pela primeira vez, teoricamente com fundamentos sólidos, seria possível construir dispositivos capazes de armazenar informações numa densidade maior até que a do próprio cérebro humano.
Seria talvez um primeiro passo para que, os robôs do futuro que usassem tais dispositivos apresentassem graus de inteligência até mesmo maior do que o nosso (seria o fim da humanidade?). Para os que gostam de ficção científica, podemos dizer que os robôs positrônicos de Isaac Asimov, na realidade seriam robôs spintrônicos, o nome dado a essa nova tecnologia.
Não queremos abrir nenhuma polêmica sobre esse assunto, mas sim mostrar de forma compreensível como funcionariam os novos dispositivos baseados nessa característica própria dos elétrons que os físicos denominam spin.
Spin
O termo "spin", que significa "rodar" em inglês, foi adotado a partir de 1921 quando os físicos alemães Otto Stern e Walther Gerlach, através de uma série de experimentos evidenciaram que os elétrons podem apresentar um movimento próprio de rotação.
Como essa rotação pode ocorrer em dois sentidos possíveis (horário e anti-horário) os físicos passaram a adotar os valores +1/2 e -1/2 para indicar os dois movimentos possíveis dos elétrons, conforme mostra a figura 1.
Na verdade, o conceito de spin parte da idéia de que o elétron tenha uma forma esférica. Nós o representamos dessa maneira, mais por uma facilidade de expressão, mas sabemos que na realidade ao elétron não se pode atribuir uma forma, pois pela física quântica, seu comportamento é ao mesmo tempo o de uma partícula e uma onda, uma dualidade que impede a atribuição de qualquer conceito de forma, o que ocorre também com outras partículas..
No entanto, para efeito de entendimento dos conceitos de spintrônica, se dissermos de forma simplificada que o elétron "gira" e que sua rotação é uma em dois sentidos possíveis, não estaremos muito longe do que desejamos transmitir. O spin do elétron num processo que envolva essa partícula é muito importante sendo o quarto número quântico que define sua presença num sistema.
Para entendermos como o spin dos elétrons é importante no comportamento dos átomos das diversas substâncias, podemos tomar como exemplo, uma experiência que demonstra sua existência.
Num átomo, a tendência dos elétrons é de se emparelharem de modo que tenhamos sempre dois deles girando em sentidos opostos (com spins contrários) de modo que seus efeitos se cancelam. Esses efeitos podem ser comparados aos de uma corrente elétrica que cria um campo magnético.
Assim, dizemos que os efeitos de um par de elétrons paralelos se cancelam. Uma substância que possua número par de elétrons em suas órbitas e os tenha emparelhados sofre efeitos magnéticos mínimos. São as substâncias que não sofrem a atração dos imãs ou não-magnéticas, conforme mostra a figura 2.
Por outro lado, se uma substância possui número ímpar de elétrons, o que sobra poderá girar num sentido o outro, e seus efeitos se manifestam externamente. Tomando como exemplo o sódio que possui 11 elétrons, se vaporizarmos essa substância e a lançarmos na forma de feixe num campo magnético, veremos que o feixe se divide em dois, mostrando que aleatoriamente, existem elétrons com spins +1/2 e -1/2 nas últimas camadas de seus átomos, conforme mostra a figura 3.
Para a eletrônica, a possibilidade de manipular os spins dos elétrons e depois, aproveitar os efeitos disso ou verificar o estado em que eles se encontram, abre campos de aplicação enormes, principalmente no armazenamento de informações, pois podemos associar aos dois números quânticos que representam os spins, ou ainda aos efeitos que ocorrem com os elétrons de spins diferentes os dígitos binários 0 e 1.
Magneto-resistência (MR) e Mageto-Resistência Gigante (GMR)
Um efeito muito importante relacionado com os spins dos elétrons nas substâncias condutoras de eletricidade foi demonstrado por Lord Kelvin em 1857, que observou que a presença de um campo magnético alterava sua resistência elétrica.
O efeito foi denominado magneto-resistência ou MR se adotarmos as siglas para as palavras inglesas correspondentes (que também são para o nosso idioma). Esse fenômeno se deve ao modo como a corrente elétrica se propaga num condutor comum, por exemplo, um fio de cobre.
Conforme mostra a figura 4, os elétrons se propagam por entre os átomos, numa trajetória sinuosa que se deve ao choque com esses átomos.
A ação de um campo magnético externo altera a maneira como os elétrons rebatem nos átomos, de acordo com seu spin, o que tem um efeito sobre a resistência elétrica do material. Elétrons com spins diferentes, rebatem de forma diferente.
Esse efeito não deve ser confundido com o Efeito Hall, onde a presença de um campo magnético desvia a corrente num condutor plano, conforme mostra a figura 5, pois atua sobre o sentido de propagação da corrente e não sobre o modo segundo os quais os elétrons rebatem nos átomos.
Nos materiais comuns a variação da resistência observada pela ação dos campos magnéticos é muito pequena, uns poucos por cento para a maioria dos materiais.
No entanto, é possível obter um efeito muito mais intenso do campo sobre a resistência, atuando sobre os spins dos elétrons e a descoberta de como isso pode ser feito foi justamente o que levou dois cientistas europeus a ganhar o prêmio Nobel de Física. O que eles descobriram foi a Magneto-Resistência Gigante ou GMR (Giant Magneto-Resistance).
A GMR e o Prêmio Nobel de Física
A Magneto-Resistência tem sido usada com materiais como ligas de ferro e níquel na elaboração de cabeças de leitura de discos rígidos.
Posteriormente, nos anos de 1980 diversos grupos de pesquisa trabalhando de forma independente, descobriram materiais que apresentavam uma magneto-resistência muito mais alta, que passou a ser denominada magneto-Resistência Gigante ou GMR.
O que os pesquisadores Albert Fert (França) e Peter Grünberg (Alemanha) fizeram foi elaborar estruturas que manifestavam uma magneto-resistências extremamente elevada.
Para formar essas estruturas os materiais eram dispostos em diversas camadas, conforme mostra a figura 6, onde materiais ferro-magnéticos e não magnéticos são dispostos alternadamente.
Essas estruturas extremamente pequenas foram construídas usando recursos da nanotecnologia, pois sua espessura é medida em nanômetros, com apenas uns poucos átomos de espessura.
Nos experimentos especiais era preciso esfriar a estrutura a uma temperatura próxima do zero absoluto, mas já hoje é possível observar o mesmo efeito em certas estruturas na temperatura ambiente.
Para entender como funcionam os dispositivos criados pelos ganhadores do prêmio Nobel e como eles podem ser aproveitados na eletrônica, vamos partir de uma estrutura simples em que três materiais são alternados, sendo um não magnético colocado entre dois materiais paramagnéticos com os campos orientados de determinada maneira.
Quando os elétrons entram nessa estrutura, formando assim uma corrente elétrica, esses elétrons rebatem de maneiras diferentes nos átomos do material magnetizado, que é o primeiro a ser atingido, com ângulos que dependem de seus spins.
Assim, elétrons que possuem spins paralelos à magnetização do material rebatem menos do que aqueles que estão com os spins anti-paralelos. Isso significa que, por esse primeiro material passam elétrons com spins que têm predominantemente os spins paralelos à magnetização do primeiro material.
Quando esses elétrons chegam ao segundo material e penetram nele, dependendo do sentido da magnetização desse segundo material, podemos observar dois comportamentos diferentes.
Se a orientação magnética desse segundo material for a mesma dos spins dos elétrons que chegam, esses elétrons rebatem com menor intensidade e podem passar com facilidade, o que significa uma baixa resistência.
No entanto, se o material tiver uma orientação contrária, conforme mostra a figura 8, os elétrons rebatem de tal forma que encontram mais dificuldade para passar, o que representa uma maior resistência.
A diferença entre as resistências apresentadas nos dois casos é muito grande, o que caracteriza o fenômeno da Magneto-Resistência Gigante (GMR), o que abre a possibilidade de seu usar uma estrutura como essa como uma unidade de memória.
Armazenando Informações
Veja que exatamente como num disco rígido, podemos armazenar informações orientando pequenos domínios magnéticos conforme o bit desejado, mas de uma forma muito mais eficiente podemos fazer a leitura baseada na variação da resistência apresentada.
Por exemplo, se tivermos uma seqüência de eletrodos com orientação fixa e entre eles colocarmos um material não magnético com eletrodos elementares orientáveis, há teremos uma estrutura capaz de armazenar informações, como mostra a figura 9.
Se magnetizarmos o eletrodo superior com a mesma orientação que o inferior, na leitura a resistência apresentada será baixa, podendo ser associado a isso o bit 0. Por outro lado, se o eletrodo superior for magnetizado com orientação oposta, a resistência lida será alta o que nos permite associar a isso o bit 1.
Da mesma forma, podemos ter uma cabeça magnética de leitura que funcione por resistência onde temos um eletrodo com campo fixo, um material condutor e o outro material seria a região magnetizada com a informação que daria sua orientação passando diante do conjunto, conforme mostra a figura 10.
Como as regiões em que esses domínios magnéticos são extremamente pequenas, da ordem de nanômetros temos a possibilidade de construir um dispositivo de armazenamento de dados extremamente compacto. A densidade de armazenamento podendo superar a densidade máxima prevista atualmente pela curva da figura 11.
Nos dispositivos atuais, com o encolhimento dos pontos de dados, fica cada vez mais difícil fazer sua leitura, Com A GMR o desenvolvimento de novos discos rígidos com altíssima capacidade se torna possível e mais do que isso, com o desenvolvimento de novas tecnologias diretamente relacionadas com a nanotecnologia, pode-se partir para outras configurações capazes inclusive de trabalhar com os elétrons individualmente.
Cada elétron transportaria um bit, 0 ou 1, conforme o seu spin e isso poderia ser lido num receptor remoto ou num dispositivo sensor para a recuperação de dados.
O mais interessante disso tudo, é que pelos princípios da física quântica, não podemos "ler" a informação contida numa partícula sem alterar o seu estado. Isso significa que, se um elétrons fosse interceptado para que seu estado fosse lido, esse elétrons seria alterado e os dados não chegariam ao sensor.
Num futuro sistema de transmissão de dados através dos spins dos elétrons a intercepção seria praticamente impossível, pois se isso ocorresse o fluxo de dados seria interrompido...
Estamos algo longe de aplicações práticas mais avançadas para isso, mas a eletrônica avança num ritmo muito rápido. Leve em conta que há menos de 30 anos o meio mais comum de armazenar informações era o disquete de 3 1/4" que até hoje (nos meios pré-históricos da informática) ainda é visto.
