Esse problema de calor é central em computadores e data centers: quanto mais rápido um processador calcula, mais ele aquece, o que obriga a instalar sistemas de refrigeração caros e que consomem muita energia. Este novo elemento processa um bit de informação em apenas 40 picossegundos (40 milionésimos de milionésimo de segundo), contra cerca de um nanossegundo (um bilionésimo de segundo) para um chip comum. Uma diferença que, no entanto, não vem acompanhada de uma produção de calor adicional.
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Como isso é possível? O componente é constituído por finas camadas de tântalo (Ta) e de um material chamado Mn3Sn, depositadas sobre uma base de sílica. O Mn3Sn é antiferromagnético, o que significa que possui propriedades magnéticas estáveis e resistentes a interferências. Os pesquisadores usaram um gerador de pulsos ultrarrápidos para enviar flashes de luz tão curtos quanto 60 picossegundos através de um fotodetector de alta velocidade. Cada pulso modifica a orientação dos spins dos elétrons no material, criando uma força magnética ínfima que registra a informação.
Esse mecanismo apresenta uma grande vantagem: uma vez que a informação é escrita, ela é conservada sem que nenhuma corrente elétrica seja necessária. O dispositivo realizou mais de um bilhão de comutações sem fraquejar, demonstrando uma confiabilidade excepcional. Sobretudo, o calor dissipado é insignificante em comparação ao de um processador comum. O suficiente para remover um grande obstáculo ao aumento da capacidade de processamento dos data centers, cujo consumo energético explode com a inteligência artificial.
Mas obstáculos ainda precisam ser superados. O tântalo é um metal raro já muito demandado, o que pode causar problemas de abastecimento. Além disso, o dispositivo precisa ser testado em condições reais, fora do laboratório, onde fatores ambientais podem perturbar seu funcionamento. Os cientistas estimam que um chip protótipo pode surgir até 2030.
Os pesquisadores também acreditam que, reduzindo ainda mais a espessura da camada de Mn3Sn, o consumo de energia diminuirá ainda mais. O próximo passo será desenvolver um processo de fabricação industrial capaz de produzir esses componentes em grande escala, para que um dia possam equipar nossos computadores e servidores.
Como funciona a comutação por pulso de luz?
A chave do dispositivo é o uso da luz para comandar a mudança de estado. Os pesquisadores empregam um gerador de pulsos ultrarrápidos que produz flashes de luz com duração de 60 picossegundos. Esses pulsos são enviados por uma fibra óptica comum e, em seguida, convertidos em uma corrente elétrica muito breve por um componente especial: um fotodiodo de portador único (UTC-PD).
Essa corrente atua sobre a camada de Mn3Sn, cujos spins eletrônicos mudam. É essa mudança que representa um bit de informação: um sentido para o 0, o outro para o 1. A operação é extremamente rápida (40 picossegundos) porque os spins podem mudar de orientação quase instantaneamente.
A vantagem desse processo é que ele não necessita de corrente contínua para manter o estado, ao contrário dos transistores tradicionais. A energia é usada apenas durante a comutação, resultando em uma produção de calor muito baixa. É uma ruptura com a eletrônica convencional, onde a corrente precisa circular permanentemente, gerando inevitavelmente calor.