Os japoneses criaram uma memória magnética usando efeitos quânticos – ela é 25 vezes mais rápida que a DRAM, quase não esquenta e não se desgasta.

Cientistas da Universidade de Tóquio, em conjunto com colegas do Centro RIKEN CEMS, apresentaram um novo tipo de elemento de memória energeticamente eficiente baseado em fenômenos da mecânica quântica. A comutação de estado do elemento depende da transferência do momento angular de spin-órbita do elétron, em vez do fluxo usual de elétrons (corrente elétrica), permitindo que a memória opere mais rapidamente, com consumo de energia desprezível e praticamente nenhum desgaste.

Fonte da imagem: Universidade de Tóquio

Algo semelhante acontece com a memória RAM magnetoresistiva. Além disso, protótipos de STT-MRAM (MRAM de Torque de Transferência de Spin), baseados no mesmo efeito de transferência de momento spin-órbita do elétron, já existem há algum tempo. Mas cientistas japoneses afirmam ter ido ainda mais longe e selecionado materiais que operam literalmente com quanta de energia. Isso elimina virtualmente o fluxo normal de corrente e as colisões aleatórias de elétrons com átomos da rede cristalina, que levam à dissipação de calor parasita — um problema global na eletrônica moderna.

Esse material milagroso revelou-se o antiferromagneto estanido trimanganês (Mn3Sn, manganês mais estanho). Trata-se de um antiferromagneto não colinear. Isso significa que os átomos de manganês na liga estão dispostos em uma rede especial “kagome”, e seus momentos magnéticos estão orientados a 120° uns em relação aos outros (como mostrado na figura). Além disso, ao contrário dos antiferromagnetos convencionais, o Mn3Sn exibe um efeito Hall anômalo gigante — ou seja, comporta-se como um ferromagneto, produzindo uma forte resposta direcional à corrente elétrica, mesmo que sua magnetização total seja quase zero. Por essas razões, o material responde de forma rápida e intensa ao momento de spin-órbita dos elétrons — não são necessárias correntes significativas para alcançar o efeito de comutação da célula de um estado magnético para outro.

O protótipo de interruptor magnético dos cientistas é capaz de alterar seu estado lógico em apenas 40 picossegundos, o que é aproximadamente 25 vezes mais rápido do que os melhores elementos SRAM e DRAM comerciais modernos, que operam na faixa de nanossegundos.A principal característica do desenvolvimento é a combinação de velocidade recorde e consumo de energia extremamente baixo, o que é especialmente importante para futuros centros de dados e aceleradores de IA especializados, onde a dissipação de calor é a principal limitação para o aumento de desempenho. Pulsos de controle muito curtos (40 ps) simplesmente impedem o superaquecimento do elemento e o desperdício de energia.

Os pesquisadores também demonstraram alta estabilidade dos ciclos de comutação do elemento, o que é crucial para a memória não volátil de próxima geração. O número de ciclos de comutação alcançado chega a 10¹², algo inatingível para a memória não volátil atual.

Mas isso não é tudo. Um avanço separado no projeto envolve a integração de tecnologias fotônicas ao elemento. Os cientistas demonstraram que a comutação é possível não apenas com um sinal elétrico, mas também com fotocorrentes de 60 picossegundos geradas por um laser na faixa padrão de telecomunicações (aproximadamente 1550 nm) e um conversor fotoelétrico. Essencialmente, trata-se de uma demonstração do conceito de uma interface direta entre canais de transmissão de dados ópticos e memória magnética — sem a necessidade de lógica CMOS volumosa. Isso é especialmente importante para centros de dados: os cabos de fibra óptica modernos já operam nessa faixa de comprimento de onda, o que significa que tais elementos poderiam potencialmente formar a base para memórias optospintrônicas ultrarrápidas conectadas diretamente aos canais de comunicação entre servidores.

A importância prática deste trabalho vai muito além do escopo de um experimento de laboratório. Se a tecnologia for ampliada para circuitos integrados, ela irá…Essa tecnologia pode formar a base de uma nova classe de arquiteturas de computação — processadores não voláteis com troca de estado quase instantânea e consumo mínimo de energia. Isso é especialmente relevante para inteligência artificial, computação de borda e computação em exaescala, onde os custos de refrigeração já são comparáveis ​​aos próprios custos computacionais. Essencialmente, pesquisadores japoneses aproximaram a criação de uma memória que combina as vantagens de velocidade da DRAM com a natureza não volátil da memória flash — uma combinação que a indústria tenta concretizar há mais de duas décadas.