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Tecnologia

Pesquisadores armazenam um bit em um ÚNICO átomo

Adaptado da Scientific American

Pesquisadores demonstram o primeiro armazenamento magnético em um único átomo.

Corte um ímã em dois e temos dois ímãs menores. Corte novamente para fazer quatro ímãs. Mas mais instáveis se tornam os ímãs quanto menores eles ficam. Seus campos magnéticos tendem a inverter a polaridade de um momento para o outro. Agora, no entanto, os físicos conseguiram criar a partir de um único átomo um ímã estável.

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A equipe de pesquisadores usou seus ímãs de um único átomos para fazer um disco rígido atômico. O dispositivo regravável, feito a partir de dois desses ímãs, é capaz de armazenar apenas 2 bits de dados, mas os sistemas escalonados podem aumentar a densidade de armazenamento do disco rígido por 1.000 vezes, diz Fabian Natterer, físico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (EPFL) em Lausanne e autor do paper.

“É uma conquista histórica”, diz Sander Otte, físico da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda. “Finalmente, a estabilidade magnética foi demonstrada inegavelmente em um único átomo.”

Dentro de um disco rígido normal está um disco dividido em áreas magnetizadas — cada uma como um pequeno ímã em forma de barra — cujos campos podem apontar para cima ou para baixo. Cada direção representa uma unidade de dados de 1 ou 0 — a unidade conhecida como bit. Quanto menores as áreas magnetizadas, mais densamente os dados podem ser armazenados. Mas as regiões magnetizadas devem ser estáveis, de forma que os ‘1’ e ‘0’ dentro do disco rígido não mudem involuntariamente.

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Os bits comerciais atuais compreendem cerca de 1 milhão de átomos. Mas, em experimentos, os físicos reduziram radicalmente o número de átomos necessários para armazenar 1 bit, indo de 12 átomos em 2012 para agora apenas um. Natterer e sua equipe usaram átomos de hólmio depositado sobre uma folha de óxido de magnésio, para ajudar a manter os polos magnéticos do átomo estável, a uma temperatura abaixo de 5 kelvin.

Hólmio

O hólmio (elemento químico de símbolo Ho de número atômico 67 e que apresenta massa atômica 164,9 u) é classificado com um metal de terra-rara, sendo que os terras-raras ou metais de terras-raras recebem esse nome por serem de difícil extração, devido, em parte, às suas semelhanças químicas. Macios, maleáveis, dúcteis e de coloração que varia de cinza escuro a prateado. O grupo dos terras raras é composto, de acordo com a classificação da IUPAC, por 17 elementos químicos, dos quais 15 pertencem na tabela periódica dos elementos ao grupo dos lantanídeos, elementos com número atómico entre, Z=57 e Z=71, isto é do lantânio ao lutécio, se juntando a esse quinze o escândio, Z=21, e o ítrio, Z=39. Os terras-raras são elementos que ocorrem nos mesmos minérios e apresentam propriedade físico-químicas semelhantes. Essa propriedade permitem que eles sejam utilizados em uma grande variedade de aplicações tecnológicas e estão incorporadas em supercondutores, magnetos, catalisadores, entre outros. Essas substâncias também foram muito usadas nos tubos de raios catódicos para televisores e computadores.

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O hólmio é um elemento da série metal de transição interna do grupo dos lantanídios, relativamente macio e maleável, sólido, de aspecto branco prateado, resistente à corrosão no ar seco, em condições ambientais de temperatura

O hólmio é um elemento da série metal de transição interna do grupo dos lantanídios, relativamente macio e maleável, sólido, de aspecto branco prateado, resistente à corrosão no ar seco, em condições ambientais de temperatura

O hólmio é particularmente adequado para armazenamento em um átomo único, porque tem muitos elétrons sem par que criam um forte campo magnético, e eles se sentam em uma órbita perto do centro do átomo, onde estão protegidos do ambiente. Isso dá a esse elemento tanto um campo grande e estável, diz Natterer, mas também dá a ele uma blindagem tem um inconveniente: torna o hólmio notoriamente difícil de interagir. E até agora, muitos físicos duvidavam se era possível determinar com segurança o estado do átomo.

Bits de dados

Para gravar os dados em um único átomo de hólmio, a equipe usou um pulso de corrente elétrica a partir da ponta magnetizada do microscópio eletrônico de varredura por tunelamento (STM, sigla para Scanning Tunneling Microscope, invento premiado com o Nobel de Física de 1986 e criado pelos pesquisadores Gerd Binnig e Heinrich Rohrer do laboratório da IBM em Zurique), o que poderia virar a orientação do campo do átomo entre 0 ou 1. Em testes os ímãs se mostraram estáveis, cada um mantendo seus dados por várias horas, com a equipe nunca vendo uma mudança de rotação involuntária. Eles usaram o mesmo microscópio para ler o bit — com diferentes fluxos de corrente revelando o estado magnético do átomo.

Ou seja, ao passar uma corrente elétrica através do hólmio, os pesquisadores foram capazes de inverter os polos magnéticos à vontade, o que permite a troca entres estados 1 e 0 — as posições binárias usadas na computação para gravar e armazenar informações. Assim, a informação pode ser lida através da medição da corrente elétrica que passa através do átomo, que irá variar dependendo da posição magnética dele.

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Os pesquisadores mostraram que dois átomos magnéticos poderiam ser escritos e lidos independentemente, mesmo quando estavam separados por apenas um nanômetro, uma distância de um milionésimo da largura da cabeça do pino. Essa distância apertada entre um átomo e outro poderia eventualmente produzir armazenamento magnético que é 1.000 vezes mais denso do que as unidades de disco rígido e chips de memória de estado sólido de hoje.

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A descoberta da equipe tem o potencial de encolher a quantidade de espaço necessário para armazenar enormes bancos de dados de servidores a unidades de disco rígido menores do que os atuais

Para provar ainda mais que a ponta poderia ler o bit de forma confiável, a equipe — que incluiu pesquisadores da empresa de tecnologia IBM — desenvolveu um segundo método, indireto, de leitura. Usaram um átomo de ferro vizinho como um sensor magnético, ajustando-o de modo que suas propriedades eletrônicas dependessem da orientação dos dois ímãs atômicos de hólmio no sistema de 2 bits. O método também permitiu que a equipe lesse vários bits ao mesmo tempo, diz Otte, tornando-o mais prático e menos invasivo do que a técnica do microscópio.

Uma visão do microscópio premiado com o Nobel da IBM Research de um único átomo de Hólmio, um elemento usado como um ímã para armazenar um bit de dados. Crédito da foto: IBM Research - Almaden (San Jose, Califórnia)

Uma visão de um único átomo de hólmio obtida com o microscópio premiado com o Nobel da IBM Research (STM ). O hólmio é foi o elemento usado como um ímã para armazenar um bit de dados. Crédito da foto: IBM Research – Almaden (San Jose, Califórnia)

 

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Usar átomos individuais como bits magnéticos aumentaria radicalmente a densidade de armazenamento de dados, e Natterer diz que seus colegas da EPFL estão trabalhando em maneiras de fazer grandes matrizes com ímãs de átomo único. Mas o sistema de 2 bits ainda está longe de aplicações práticas e bem atrás de um outro tipo de armazenamento de átomo único, que codifica dados em posições de átomos, em vez de em sua magnetização, e já construiu um 1 kilobyte (8.192 bits) em um dispositivo regravável de armazenamento de dados.

Uma vantagem do sistema magnético, entretanto, é que poderia ser compatível com a espintrônica, diz Otte. Esta tecnologia emergente usa estados magnéticos não apenas para armazenar dados, mas para transferir informações em um computador, em vez de corrente elétrica, e isso traria sistemas muito mais eficientes em termos energéticos.Discos rígidos construídos usando essa técnica controlariam a posição de cada átomo. Isso poderia fazer servidores, computadores e dispositivos pessoais radicalmente menores e mais poderosos.

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Contudo, no curto prazo, os físicos estão mais entusiasmados com o estudo dos ímãs de átomo único. Natterer, por exemplo, planeja observar três mini-ímãs que são orientados de modo que seus campos estejam em competição uns com os outros — então eles continuamente invertendo a orientação de seus campos magnéticos. “Atualmente podemos brincar com esses ímãs de um átomo, usando-os como ‘legos’, para construir estruturas magnéticas a partir do zero”, diz ele.

Já que aplicações comerciais são improváveis que surjam do dia para a noite, os resultados dessa pesquisa representam um salto quântico na tecnologia de armazenamento de dados e mostra grande promessa para o futuro. Christopher Lutz, pesquisador diretor do laboratório de nanotecnologia IBM Research, com sede em Almaden, em San Jose, Califórnia, disse que: “os Bits magnéticos estão no coração das unidades de disco rígido, de fita e da próxima geração de memória magnética’.

“Nós conduzimos esta pesquisa para entender o que acontece quando você encolhe a tecnologia até o extremo mais fundamental — a escala atômica”, concluiu.

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Os resultados da pesquisa foram publicados no período peer-reviewed Nature em 8 de março de 2017.

Referências:

  1. Natterer, F. et al. “Reading and writing single-atom magnets”, Nature.  http://dx.doi.org/10.1038/nature21371(2017).
  2. E. Kalff et al. “A kilobyte rewritable atomic memory”, Nature Nanotechnol http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2016.131(2016).
  3. Loth, S., et al. “Bistability in atomic-scale antiferromagnets.” Science 335, 196–199 DOI:10.1126/science.1214131 (2012).
  4. Gibney, E. “Magnetic Hard Drives Go Atomic”. Scientific American, March 9, 2017. <https://www.scientificamerican.com/article/magnetic-hard-drives-go-atomic/?WT.mc_id=SA_FB_PHYS_NEWS> Acesso em 10 de março de 2017.
  5. IBM: “IBM Researchers Store Data on World’s Smallest Magnet a Single Atom” <http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/51787.wss>
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