Spintrônica: o que aconteceu? / Offsyanka.

\nA carga elétrica serviu fielmente a humanidade, alimentando a operação de sistemas elétricos semicondutores, por quase 80 anos – se você contar o tempo de seu mandato desde o final de 1947, quando Walter H. Brattain e John A. Bardeen, sob a liderança de William B. Shockley, da Bell Telephone Laboratories, não apenas descobriram o efeito transistor, mas desenvolveram e demonstraram o primeiro transistor de germânio de contato pontual do mundo. Relativamente em breve, isso levou ao desenvolvimento de sistemas de computação semicondutores verdadeiramente revolucionários, que eram muito mais fáceis de fabricar e mais confiáveis ​​​​na operação (se comparados com relés, tubos de rádio, etc., que anteriormente dominavam como base de hardware dos computadores), e também evoluindo continuamente no sentido de aumentar a densidade do arranjo de seus componentes – esses mesmos transistores – na superfície de um cristal de silício e, ao mesmo tempo, reduzir seu custo; veja a notória “Lei de Moore”.\n\n

\n\nRéplica do primeiro transistor de germânio do mundo, fabricado nos Laboratórios Bell Telephone; Muito rapidamente, o germânio deu lugar à posição de principal semicondutor de “computação” para o silício, muito mais comum e fácil de manusear (fonte: Wikimedia Commons).\n\nA essência da computação clássica de semicondutores é extremamente simples: sinais binários – “0 lógico” e “1 lógico” – são codificados por certos níveis de tensão elétrica; grosso modo, baixo e alto. Tais sinais chegam às entradas dos circuitos lógicos elementares (portas NAND, portas OR exclusivas, etc.), onde são processados ​​de acordo com as regras da álgebra booleana. E então circuitos de nível superior são construídos a partir das portas – implementando, digamos, multiplicação de números de ponto flutuante, funções trigonométricas e muito mais. E não haveria tristeza se, no início do século 21, os efeitos estocásticos dos elétrons únicos já não tivessem começado a se manifestar em microcircuitos semicondutores produzidos em massa – embora em quantidades moderadas (e, graças às ferramentas desenvolvidas de correção de erros, sem muito impacto na precisão dos processadores), mas ainda assim. Quanto menores se tornam os elementos dos transistores semicondutores, mais difícil é controlar de forma confiável a transferência de carga elétrica através deles. Mas um elétron, além da carga elétrica elementar, possui outra característica importante – seu próprio momento angular, spin, que, além disso, pode assumir estritamente um de dois valores fixos; condicionalmente, “+1” ou “−1”, “spin up” ou “spin down”. E sob certas condições, uma partícula elementar é capaz de alternar entre esses estados. O que nãouma opção adequada para organizar portas lógicas já familiares e, com base nelas – circuitos mais complexos, usando apenas não as cargas elétricas transportadas por lotes bastante grandes de partículas, mas as propriedades de spin de elétrons individuais? Portanto, deve-se presumir que a velocidade dos cálculos poderá ser aumentada drasticamente e os custos de energia para cada operação elementar serão reduzidos!\n\n⇡#Giração e rotação\n\nA manipulação do spin do elétron como meio de armazenar e processar informações como uma subseção da eletrônica foi formada há apenas três décadas: o conceito em si foi proposto por SF Alvarado e BT Thole em uma publicação publicada em 1966 no Journal of Applied Physics, e o termo “spintrônica” foi cunhado por James M. Byers em um artigo de 1999 publicado na Physics Today. E a base científica da spintrônica, falando francamente, é bastante recente: Otto Stern e Walther Gerlach realizaram apenas em 1922 o famoso experimento de divisão de um feixe de elétrons em um campo magnético, o que os fez suspeitar da presença de uma propriedade fundamental até então desconhecida nessas partículas. Além disso, foi somente em 1925 que o resultado obtido por Stern e Gerlach foi explicado com base na hipótese de que o elétron possui momento angular próprio, apresentada por Samuel A. Goudsmit e George E. Uhlenbeck. Grosso modo, eles olharam para o elétron como um topo eletricamente carregado girando (não apenas girando em torno do núcleo atômico enquanto faz parte do átomo, mas girando em torno de seu próprio eixo) e perceberam que tal movimento, de acordo com todos os cânones do eletromagnetismo, deve gerar um campo magnéticocampo.\n\n

\n\nEsquema do experimento de Stern-Gerlach: um feixe de átomos de prata neutros passa por uma fenda formada pelos pólos de um ímã forte. Dos 47 elétrons de cada átomo, 46 ​​formam uma estrutura simétrica (com spins em pares direcionados de forma oposta), e apenas um, o mais externo, dá uma contribuição adicional ao momento angular orbital de todo o átomo. Se o spin não fosse um efeito quântico – o eixo condicional de rotação do próprio elétron poderia ser orientado de qualquer maneira no espaço – os átomos estariam espalhados uniformemente na saída da fenda. No entanto, o spin é quantizado, tomando estritamente um de dois valores possíveis ao longo da direção especificada pelo projeto da instalação e, portanto, os experimentadores viram exatamente dois pontos na tela atrás do ímã (fonte: Wikimedia Commons)\n\nA história da descoberta do spin é mencionada aqui apenas para introduzir este conceito por analogia: uma bola de metal carregada, girando, criará uma corrente circular, e que, por sua vez, produzirá um momento magnético. Um elétron – um objeto quântico – não gira no sentido mecânico; não pode ser “desacelerado” ou “parado”. É por isso que o spin dessas partículas e de outras mais complexas (digamos, prótons, com os quais nem tudo é fácil nesse aspecto) é uma quantidade que simplesmente não tem um análogo exato no mundo macroscópico. Já tocamos no tema dos spins no material dedicado à memória magnetorresistiva (MRAM), onde examinamos com algum detalhe a situação nesta área de progresso de alta tecnologia. Mas a memória por si só não é suficiente para organizar os cálculos (deixemos de lado o tópico da computação na memória por enquanto); portas lógicas e muito mais são necessáriascontornos complexos para implementar operações booleanas. Por esta razão, a spintrônica lógica está se tornando uma área de pesquisa cada vez mais urgente ao longo do tempo, porque quanto mais longe ela vai, mais difícil e caro se torna melhorar a eletrônica de semicondutores. Até ao momento, a enorme inércia do seu desenvolvimento, acumulada ao longo de muitas décadas, permite-nos avançar com confiança, embora com perda de dinamismo. Mas dificilmente mais de 10-15 anos separam a humanidade do momento em que o desenvolvimento, construção e comissionamento da próxima fotolitografia clássica com uma fonte de radiação Beyond-EUV convencional terá aproximadamente o mesmo custo que a fabricação de uma máquina para a produção de chips de computação em princípios diferentes dos semicondutores, que durante a operação produzem aproximadamente a mesma produtividade. Existem muitos desses princípios sendo desenvolvidos hoje – basta mencionar a muito promissora fotônica – mas a spintrônica tem uma série de vantagens bastante significativas na disputa pelo título de sucessora da microeletrônica de semicondutores.\n\nE talvez a mais importante dessas vantagens seja a possibilidade de confiar, mesmo que parcialmente, na rica herança já desenvolvida pelos engenheiros microeletrônicos. Afinal, os elétrons atuam como portadores de carga, viajando pelos circuitos dos microcircuitos semicondutores, mas esses mesmos elétrons possuem spin, cuja manipulação abre caminho para cálculos dentro do conceito de spintrônica. Isso significa que os pesquisadores não terão que trabalhar com outras partículas (como acontece com os quanta de radiação eletromagnética no caso da fotônica), mas com outras já conhecidas – e isso é uma grande vantagem. Além disso, a mania atualmodelos generativos de inteligência artificial expõem impiedosamente o lado mais vulnerável dos sistemas microelectrónicos clássicos, nomeadamente a arquitectura de von Neumann na qual ainda se baseiam. O paradigma chave desta arquitetura – a separação física dos circuitos de processamento de informações e seu ambiente de armazenamento – tem um impacto particularmente doloroso na computação de IA, uma vez que os atuais grandes modelos de linguagem com trilhões de parâmetros operacionais sofrem incrivelmente com grandes atrasos no processo de transferência de dados da memória para os núcleos de computação e vice-versa. A Spintrônica, como já mencionado, é potencialmente muito melhor que a eletrônica de semicondutores para implementação de arquiteturas de computação neuromórficas, porque já lida bem com o armazenamento de dados – e no futuro (não muito distante, esperemos) permitirá cálculos diretamente na mesma memória, sem causar atrasos adicionais.\n\n

\n\nUma placa em branco com chips de memória seriais SOT-MRAM feitos nela (fonte: TSMC, ITRI)\n\n⇡#Não há tempo para explicar, tudo está no túnel!\n\nQuando um elétron é usado em um circuito semicondutor clássico como portador de uma carga elétrica elementar, não há problemas fundamentais com a formação de “0 lógico” e “1 lógico”, bem como operações subsequentes sobre eles, não há: As dificuldades começam apenas com superminiaturização, e seu aparecimento é provocado pela necessidade de levar em conta os efeitos quânticos. A carga que flui ao longo do barramento de dados dentro de um microcircuito moderno, em qualquer caso, é formada por centenas, senão milhares de elétrons. Este processo pode ser considerado macroscópico, embora com alguns erros, aplicando-lhe as leis e tecnologias adequadas. Com o spin de um elétron individual, a situação é fundamentalmente diferente: trata-se de uma quantidade quântica sem quaisquer reservas, e para aprender a controlá-la – transferi-la de um estado para outro de acordo com certas regras, implementando as já mencionadas portas lógicas, por exemplo – é preciso trabalhar muito. Na verdade, a razão pela qual a memória magnetorresistiva já está conquistando com bastante confiança seu lugar no segmento correspondente do mercado global de TI, e os processadores baseados em spintrônica ainda não saíram realmente dos laboratórios, é que os engenheiros já aprenderam muito bem como mudar “0” para “1” através de uma junção de túnel magnético (MTJ), mas até agora eles não são muito bons em implementar portas lógicas spintrônicas sem problemas.\n\nLembre-se de que o núcleo MTJ consiste em dois ferromagnetos, as camadas de suporte e livre, separadas por uma finaum espaçador isolante, cuja resistência depende da orientação relativa dos vetores de magnetização em ambos os lados: na camada de suporte esse vetor é fixo, na camada livre pode mudar. Medir a resistência elétrica de tal célula mostra se os vetores de magnetização nessas duas camadas são paralelos ou antiparalelos. À medida que as tecnologias desenvolvidas a partir da célula spintrônica básica descrita aqui, alternam MRAM, na década de 2010 elas migraram para a memória magnetorresistiva baseada no efeito de transferência de torque de spin (STT-MRAM), que era mais atraente em termos de seus parâmetros operacionais, e chegou perto de criar circuitos integrados CMOS-spintrônicos híbridos – felizmente, métodos de produção em massa desenvolvidos em chips semicondutores convencionais também são adequados para formar células STT-MRAM, bem como SOT MRAM ainda mais avançado baseado em spin-órbita interação. Na verdade, o chip neuromórfico Intel Loihi 2, conhecido pelos nossos leitores, é precisamente um computador híbrido CMOS-spintrônico, que, devido à memória MRAM, consome cerca de um terço menos energia do que computadores clássicos de potência comparável ao resolver problemas semelhantes.\n\n

\n\nChips neuromórficos híbridos já foram colocados em produção – cabe apenas aos sistemas de computação baseados em spintrônica (fonte: Intel).\n\nSe fosse possível criar circuitos lógicos operacionais eficientes baseados em elementos spintrônicos, isso abriria perspectivas verdadeiramente imensas para a mesma IA: a integração com MRAM em um único chip permitiria não apenas evitar o “gargalo” entre processadores e RAM em sistemas von Neumann, mas implementar diretamente cálculos na memória. Infelizmente, a lógica spintrônica continua a permanecer no nível de desenvolvimento conceitual: até agora não houve relatos de um único circuito lógico operando com sucesso que conteria qualquer número significativo de portas spintrônicas, e essas portas em si estão até agora sendo implementadas em laboratórios apenas como uma confirmação de vários conceitos teóricos – não distinguidos por requisitos modestos de espaço ou consumo de energia insignificante. Muitos pesquisadores chegam a argumentar que até agora os entusiastas envolvidos na spintrônica não desenvolveram uma compreensão completa de todos os obstáculos que enfrentam – e precisamente por esta razão não há necessidade de falar sobre o aparecimento dos primeiros computadores spintrônicos viáveis tão cedo.\n\nÉ uma pena: dado o quanto os principais desenvolvedores de grandes modelos de linguagem sofrem com as limitações da abordagem de Von Neumann para emular redes neurais, seria de esperar investimentos muito generosos neste tipo de clientes potenciais em uma direção que promete uma mudança radical no paradigma da computação – no sentido de um aumento acentuado na eficiência energética eprodutividade. Mas até agora, os desenvolvedores nem sequer estão prontos para mostrar a esses investidores algo realmente viável. Os pesquisadores estão tentando, para ser justos, com todas as suas forças: só nos últimos anos, várias abordagens teóricas para a implementação da lógica spintrônica foram delineadas, baseadas em paredes de domínio, nanoímãs acoplados quiralmente, sólitons magnéticos quirais, ondas de spin e compostos magnetoelétricos. É verdade que tais abordagens sofrem de uma série de problemas comuns a todas elas – mas quando, poder-se-ia perguntar, o progresso tecnológico se desenvolveu sem problemas?\n\n

\n\nO conceito de lógica de parede de domínio controlada eletricamente. (a) MTJ básico usado para construir (escrever) paredes de domínio nas entradas por meio de transferência de carga do túnel e detectar (ler) paredes de domínio nas saídas com base na magnetorresistência do túnel. (b) Os domínios podem ser movidos injetando uma corrente no metal em contato com o filme magnético. (c) Esquema de uma válvula majoritária, um dispositivo lógico com três entradas e uma saída, baseado em paredes de domínio. (d) Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de uma porta spintrônica de parede de domínio em nanoescala fabricada em um wafer padrão de 300 mm (fonte: IMEC)\n\n⇡#Spins at a Crossroads\n\nO princípio operacional das portas lógicas spintrônicas de parede de domínio é a formação, movimento e interação das próprias paredes do domínio magnético (os limites entre a magnetização das regiões) dentro de barramentos condutores nanodimensionados. Para codificar os dados, utiliza-se a direção de magnetização (mais precisamente, quiralidade, já que estamos falando de um efeito de spin, e o spin é um análogo da rotação intrínseca de um objeto macroscópico) das paredes do domínio. As paredes, por sua vez, não são fixas em um local, mas se movimentam dentro do barramento de certa forma sob a influência de uma corrente elétrica de controle – por meio do efeito de torque spin-transferência – o mesmo que é utilizado no já citado STT-MRAM) ou interação spin-órbita (torque spin-órbita, no qual o SOT-MRAM se baseia). É muito importante que tais válvulas forneçam armazenamento de dados não voláteis, corrente de fuga quase nula,e o mais importante – a capacidade de integrar lógica e memória; a mesma computação em memória, cuja falta de implementação prática em grande escala restringe tão dolorosamente o extenso progresso de grandes modelos de linguagem. Portas funcionais em paredes de domínio, como NAND e NOR, já estão sendo implementadas nos laboratórios da ETH Zurich, IMEC e vários outros institutos: como elementos experimentais, é claro, mas em um nível de miniaturização que é bastante aceitável do ponto de vista da produção.\n\nNanomagnetos quiralmente acoplados são estruturas magnéticas nas quais domínios vizinhos com magnetização ortogonal (no plano e fora do plano) estão firmemente conectados por meio de interação entre fases Interação Dzyaloshinskii – Moriya (DMI). A propósito, essa interação é responsável pelo aparecimento, sob a influência de um campo magnético, em filmes finos condutores de vórtices nanométricos topologicamente estáveis, chamados skyrmions (são sólitons magnéticos quirais) – que, como partículas elementares, são capazes de se mover sob a influência de campos externos e interagir. Com base em skyrmions, é assim possível armazenar dados e formar portas para lógica computacional – este tópico está sendo desenvolvido, em particular, no laboratório “Metamateriais Magnéticos” da Universidade de Saratov. Nos elementos lógicos spintrônicos, o mecanismo quiral serve de base para a “lógica de pista” das paredes de domínio: a informação é codificada não em partículas ou quasipartículas, mas nos estados de magnetização (quiralidade) dessas próprias paredes de domínio. Pesquisadores suíços da ETH Zurich criaram portas NAND e NOR reconfiguráveis ​​com base nisso.bem como circuitos mais complexos até somadores completos – controlando paredes de domínio aplicando correntes elétricas a elas.\n\n

\n\nDinâmica da magnetização durante a propagação da onda de spin: (a) a trajetória de magnetização é determinada por uma combinação de dois momentos magnéticos, precessionais e responsáveis ​​pelo amortecimento; (b) uma representação esquemática de uma onda de spin em uma rede bidimensional de momentos magnéticos: na parte superior – uma vista superior da primeira linha da rede, abaixo – uma vista lateral de toda a rede bidimensional (fonte: doi.org/10.1063/5.0019328)\n\nSpintrônica de ondas de spin, é zemagnônica, em vez de correntes elétricas, depende de ondas de spin para transmitir e processar informação, como o próprio nome indica – isto é, nas vibrações coletivas dos spins dos elétrons. Do ponto de vista da eficiência energética, esta é talvez a direção mais atrativa, uma vez que a dissipação térmica de energia durante a passagem de uma onda de spin pelo material é mínima – o que significa que para cada joule gasto, um computador de ondas de spin realizará (em teoria) significativamente mais operações do que circuitos construídos em outros princípios. A modulação de fase ou amplitude da onda spin pode ser usada para codificar bits, e operações lógicas são realizadas – semelhantes às implementadas para fotônica – por meio de interferência de onda; apenas os giratórios, não os eletromagnéticos. Além do consumo ultrabaixo de energia, a magnônica também é atrativa devido à sua alta frequência – gigahertz não é o limite – e à possibilidade de miniaturizar circuitos de computação bastante grandes em escala nanométrica, uma vez que a interferência das ondas de spin ocorre em um volume extremamente pequeno.\n\nFinalmente, a lógica spintrônica magnetoelétrica (este, no entanto, não é o último caminho promissor de desenvolvimentospintrônica aplicada – apenas o resto está ainda menos desenvolvido no momento) depende do efeito magnetoelétrico para controlar estados magnéticos usando campos elétricos. A lógica magnetoelétrica acoplada spin-órbita (lógica MESO) combina comutação magnetoelétrica com acoplamento spin-órbita: a direção da magnetização muda devido à tensão aplicada, gerando uma carga elétrica – que é então registrada como um “0 lógico” ou “1”. O aquecimento aqui também é extremamente baixo (estamos falando de unidades de attojoules, 10-18 J, enquanto uma única ativação de uma porta de transistor em processadores CMOS modernos “custa” de 100 aJ a dezenas de femtojoules) e, além disso, boas perspectivas se abrem para a computação na memória – porque os estados magnéticos armazenam dados sem um fornecimento constante de tensão.\n\n

\n\nUma equipe internacional de pesquisadores do CIC nanoGUNE implementou com sucesso a comutação e leitura de magnetização de nanodispositivos MESO usando conversão de corrente de rotação para carga. O transistor que obtiveram é estruturalmente semelhante ao silício, mas é feito de outros materiais e funciona devido à reversibilidade da magnetização de um material ferromagnético – uma liga de cobalto e ferro (fonte: Nature Communications)\n\nO que está impedindo o progresso acelerado da spintrônica nas áreas listadas – e em uma série de outras não abordadas em nossa breve revisão? Uma série de razões, e a primeira delas é uma falta banal de compreensão de como exatamente, em um determinado caso, criar efetivamente portas lógicas excelentes a partir de válvulas majoritárias. Estas próprias válvulas – elementos lógicos com muitas entradas e uma saída, que funcionam segundo o princípio de “votação”, passando “0” ou “1” dependendo de quais sinais recebidos foram a maioria – são implementadas no âmbito da spintrônica sem muito esforço. Mas então começam as dificuldades: por exemplo, um inversor ou uma porta XOR é muito difícil de implementar em lógica baseada em paredes de domínio. O próximo problema é mais sério: está relacionado ao monitoramento em cascata, ramificação e integridade do sinal. Para a corrente elétrica, todas essas operações são implementadas trivialmente (já que as leis de Kirchhoff são satisfeitas), mas dividir o estado inicial de magnetização em dois “ônibus” paralelos (dois dutos lógicos) é uma tarefa muito, muito incomum. Isso geralmente requer circuitos adicionais de conversão e amplificação de sinal, que requerempotência, acrescentam atrasos e ocupam uma área considerável, o que reduz significativamente a eficiência dos computadores spintrônicos. Além disso, para algumas arquiteturas (com ondas de spin, por exemplo), a corrente de spin decai visivelmente mesmo em interconexões curtas, o que torna ainda mais difícil controlar válvulas subsequentes sem regeneração de sinal.\n\nBem, as próprias interconexões para spintrônica são literalmente uma faca afiada: quanto mais o circuito requer conversores entre o spin (momento magnético) e a carga elétrica e/ou vice-versa, mais perceptíveis são as perdas de energia. A eficiência de uma única dessas transformações usando os métodos descobertos até agora é extremamente baixa – no nível de 0,1%. Para paredes de domínio ou ondas de spin, esse problema é menos relevante, mas quanto mais complexo o circuito lógico, mais interconexões puramente magnéticas serão necessárias – e essas, como já mencionado, precisam de amplificadores de sinal. Você pode, é claro, combater isso – em vez de ramificar um sinal, usar vários canais paralelos, digamos – mas esta também é uma solução moderada: a área e o consumo de energia do circuito aumentarão, e o projeto de engenharia de microcircuitos para spintrônica se tornará incrivelmente complicado.\n\n

\n\nFotografia de chips híbridos de teste com elementos spintrônicos e CMOS, fabricados em um substrato de silício usando tecnologias regulares de fabricação de circuitos integrados de semicondutores (fonte: Universidade de Tohoku).\n\nE ainda assim o trabalho nessa direção continua: os sucessos da memória MRAM inspiram aqueles que buscam complementar dispositivos de armazenamento baseados em spintrônica com circuitos lógicos. MRAM de transferência de impulso de rotação avançada (STT-MRAM) fornece energia de gravação de apenas 0,3–0,4 pJ/bit com uma resistência de mais de 10¹² ciclos – valores inimagináveis ​​para sistemas de armazenamento de semicondutores. Além disso, já que a spintrônica está inspirando os desenvolvedores de IA, qual o sentido de tentar duplicar circuitos semicondutores com ela? A maioria das válvulas mencionadas acima implementam perfeitamente operações de soma ponderada – chave para a operação de redes neurais. E aqui está a confirmação disso: em maio de 2026, como parte de uma colaboração entre a Universidade de Tohoku e o NIST, a primeira tecnologia integrada de bit probabilístico spintrônico (p-bit – de bit probabilístico) do mundo foi demonstrada em um chip de silício usando processos CMOS de 130 nm. Essa inovação, de acordo com os desenvolvedores, abre caminho para computadores p escaláveis, otimizados para inteligência artificial e tarefas de aprendizado de máquina que consomem muitos recursos para os sistemas von Neumann. Portanto, é provável que nos próximos anos haja cada vez mais novidades do mundo da spintrônica: os pesquisadores, pode-se dizer, apenas começaram a mergulhar seriamente nesta área e, portanto, pode-se esperar que as descobertas lá sejam muito mais significativas do que emuma área de computadores semicondutores exaustivamente estudada e desenvolvida na prática, familiar a todos nós.\n