Spintrônica: do Nobel de 1988 à MRAM e aos circuitos que imitam o cérebro
Spintrônica é a eletrônica que usa, além da carga do elétron, o spin, uma propriedade magnética que funciona como uma pequena bússola interna de cada elétron. Ela já está no dia a dia: a cabeça de leitura de todo disco rígido desde o início dos anos 2000 é um sensor spintrônico, e memórias magnéticas chamadas MRAM estão em chips de 22 e 28 nanômetros fabricados por TSMC e Samsung. A ligação com a biologia aparece em duas frentes de pesquisa: circuitos que imitam neurônios e sensores capazes de detectar moléculas de doenças no sangue. Nas duas, os resultados ainda são de laboratório.
Este artigo explica o efeito físico, faz a conta da magnetorresistência, mostra onde a spintrônica já é produto e separa o que é promessa na computação inspirada no cérebro.
O efeito que ganhou o Nobel
Em 1988, Albert Fert, na França, e Peter Grünberg, na Alemanha, descobriram de forma independente a magnetorresistência gigante, ou GMR, e dividiram o Nobel de Física de 2007, segundo o comunicado do Nobel. O efeito aparece em camadas muito finas de metal magnético separadas por metal não magnético. Quando as camadas magnéticas apontam na mesma direção, os elétrons passam com facilidade e a resistência é baixa; quando apontam em direções opostas, os elétrons são mais espalhados e a resistência sobe.
A medida do efeito é a razão de magnetorresistência:
MR = (RAP − RP) / RP
com RP a resistência com as camadas paralelas e RAP com elas antiparalelas. No experimento de Fert, com camadas de ferro e cromo a 4,2 K, perto do zero absoluto, a resistência caiu quase pela metade com o campo magnético, segundo o artigo original. Pela fórmula acima, isso dá cerca de 100%; medido contra a resistência alta, cerca de 50%. As duas formas aparecem na literatura, e vale conferir qual está sendo usada.
A versão com túnel: TMR
Trocando o metal do meio por uma camada isolante de poucos átomos, como óxido de magnésio, os elétrons atravessam por efeito túnel, e o efeito fica muito maior: é a magnetorresistência por tunelamento, ou TMR. Em 2008, uma equipe japonesa mediu 604% à temperatura ambiente, e em 2023 o recorde passou a 631%, segundo um trabalho do instituto japonês NIMS.
- com MR de 604%, RAP = RP × (1 + 6,04) = 7,04 × RP;
- se a junção tem 1 kΩ no estado paralelo, tem 7,04 kΩ no antiparalelo.
Uma diferença de sete vezes na resistência, medida em laboratório, é fácil de ler por um circuito: é um 0 e um 1 sem ambiguidade. Nos chips comerciais a diferença é menor, mas ainda legível.
Onde a spintrônica já é produto
Disco rígido
A primeira cabeça de leitura com GMR chegou ao mercado em 1997 e virou padrão em pouco tempo, segundo o Nobel. A densidade de gravação saiu de 2.000 bits por polegada quadrada no primeiro disco da IBM, de 1956, para mais de 130 gigabits por polegada quadrada no fim dos anos 2000, segundo um resumo da Sociedade Americana de Física. Os discos atuais da Seagate com gravação assistida por calor passam de 3 TB por prato e usam um leitor spintrônico, segundo a StorageReview.
Memória MRAM
A MRAM guarda cada bit na direção de magnetização de uma junção de túnel e não perde o dado quando a energia é desligada. A gravação moderna usa o torque de transferência de spin: uma corrente com spins alinhados vira a magnetização da camada livre.
- 2006: a Freescale lançou o primeiro chip comercial, de 4 Mbit; a equipe virou a Everspin, segundo a Electronic Design.
- 2019: a Samsung começou a produção de MRAM embutida em 28 nm, com gravação cerca de 1.000 vezes mais rápida que a flash embutida e sem necessidade de apagar antes de gravar, segundo a Samsung.
- 2020: a TSMC apresentou MRAM embutida de 32 Mb em 22 nm, com leitura em 10 ns, até 1 milhão de ciclos de gravação para dados e retenção de 10 anos a 150 °C, segundo a SemiWiki.
A MRAM começa a substituir a flash embutida em alguns microcontroladores, sensores e aparelhos que precisam guardar dados sem bateria. A eficiência energética desses chips importa em escala de data center, onde cada watt economizado no chip também é calor a menos para remover.
Spintrônica e o cérebro: o que já foi demonstrado
A ideia da computação neuromórfica é imitar o cérebro: processar e guardar no mesmo lugar, com muitos elementos simples trabalhando juntos. O cérebro humano faz isso com cerca de 20 W, perto de 20% da energia do corpo, segundo um artigo da EMBO Reports. Componentes spintrônicos são candidatos porque guardam estado sem energia e podem oscilar como neurônios.
- Reconhecimento de voz com um oscilador: em 2017, uma equipe internacional usou um único oscilador spintrônico de cerca de 375 nm para reconhecer dígitos falados, com até 99,6% de acerto num conjunto de 500 gravações de 5 pessoas, segundo o artigo publicado na Nature.
- Energia por operação: uma revisão de 2020 na Nature Electronics, de Julie Grollier e colegas, cita um sistema proposto com junções magnéticas que usaria 7,4 nJ por operação depois de treinado, contra 330 nJ de neurônios de CMOS de baixo consumo, segundo a página do NIST e o artigo da proposta.
A mesma revisão chama esses resultados de primeiras provas de conceito e lista os problemas: a diferença de resistência entre estados usada nesses circuitos ainda é pequena de cerca de 3 vezes. Os autores esperam que o primeiro impacto comercial venha da MRAM embutida, com os chips neuromórficos mais adiante. Como a IA roda hoje nos aparelhos, com eletrônica convencional, está no artigo sobre inteligência artificial no celular.
Biossensores magnéticos
A aplicação mais concreta na biologia é o sensor. Moléculas de interesse, como marcadores de câncer, são marcadas com nanopartículas magnéticas, e um sensor GMR embaixo detecta o campo dessas partículas. Em 2008, pesquisadores de Stanford e da UC Santa Cruz mediram sete marcadores ao mesmo tempo, em concentrações de 5 a 100 femtomolar, segundo a Universidade da Califórnia. Em 2009, a mesma equipe chegou a concentrações de attomolar em soro, urina e saliva, segundo a Nature Medicine. Esses sensores competem com outras abordagens de diagnóstico e de monitoramento contínuo, como os sensores implantáveis cardíacos e os sensores biodegradáveis.
Perguntas frequentes
O que é spintrônica?
É a eletrônica que usa o spin do elétron, além da carga, para guardar e ler informação. O efeito central é a resistência elétrica mudar conforme a direção magnética de camadas finas.
Onde a spintrônica é usada hoje?
Na cabeça de leitura dos discos rígidos, desde 1997, e em memórias MRAM embutidas em chips de 22 e 28 nm, além de sensores magnéticos.
O que é MRAM?
Uma memória que guarda cada bit na magnetização de uma junção de túnel. Não perde dados sem energia e grava muito mais rápido que a flash embutida.
Spintrônica já é usada em computadores que imitam o cérebro?
Em laboratório. Há demonstrações, como reconhecimento de voz com um único oscilador spintrônico, mas os próprios pesquisadores falam em provas de conceito.
O que é a magnetorresistência gigante?
A grande variação de resistência em camadas magnéticas finas conforme suas magnetizações estejam paralelas ou opostas. Foi descoberta em 1988 e rendeu o Nobel de Física de 2007.
A spintrônica é um caso raro de física fundamental que virou produto em menos de dez anos: do efeito medido em 1988 à cabeça de leitura de 1997. Diante de notícias sobre computação inspirada no cérebro, a pergunta que separa produto de pesquisa é se o dispositivo já sai de uma fábrica de chips, como a MRAM, ou ainda de um laboratório. A física por trás de outros materiais com propriedades elétricas extremas está no artigo sobre supercondutores.
