Nobel de Física de 2007: Magnetoresistência Gigante

8 de Outubro de 2007, por Desconhecido - 0sem comentários ainda

Saiu hoje o prêmio Nobel de Física dessa ano para os pesquisadores Albert Fert e Peter Grünberg pela descoberta do fenômeno conhecido como Magnetorresistência Gigante (GMR, Giant Magnetoresistance). A GMR de fato transformou a indústria de computadores acelerando substancialmente a taxa com que a densidade de dados armazenadas em discos rígidos aumenta a cada ano.

Mas do que se trata esse fenômeno? Em primeiro lugar precisamos entender o conceito de spin. O spin é um grau de liberdade intrínseco de uma partícula, é uma grandeza vetorial associada a cada partícula de forma que a determinação do estado dessa partícula, envolve a determinação do estado de seu spin. A grande dificuldade em se entender do que se trata o spin é devido ao fato de que não existe analogia entre o spin e nenhuma variável da mecânica clássica, que é a que temos contato no nosso mundo macroscópico. Basta, para o que segue, entendermos que o spin é uma variável associada a cada partícula e que pode assumir certos valores.

O elétron é uma partícula que denominamos férmions, são partículas tais que uma certa componente do vetor spin em uma dada direção pode assumir um número par de valores diferentes. No caso do elétron, que é uma partícula de spin [tex]\frac{1}{2}[/tex], o spin do elétron em uma certa direção pode assumir os valores [tex]+1[/tex] ou [tex]-1[/tex], ou, de maneira mais pictórica: spins apontando para cima, ou para baixo.

O fato de que o elétron possui um spin é antigo: é conhecido desde a década de 20. Entretanto até recentemente esse fato não era tecnologicamente explorado pela microeletrônica. Toda a eletrônica moderna até a década de 90 era baseada no fato de que o elétron possui uma carga elétrica, mas a existência do spin não era explorada. A razão é simples: as energias associadas aos estados de spin são muito menores que as energias associadas aos estados orbitais dos elétrons, de forma que na prática, os spins em uma corrente elétrica comum estão totalmente misturados: a chance de se encontrar um elétron com spin [tex]+1[/tex] é exatamente a mesma de se encontrar um elétron com spin [tex]-1[/tex].

Com a evolução das técnicas de manipulação de materiais semicondutores foi finalmente possível alcançar um estágio em que podemos manipular experimentalmente o spin de elétrons em correntes elétricas e isso abriu novas possibilidades tecnológicas e de pesquisa básica culminando com a criação de um novo campo da física: a spintrônica - (do inglês: spin based electronics - eletrônica baseada em spin).

A GMR foi uma das primeiras grandes descobertas desse campo de pesquisa. O dispositivo básico para se entender esse efeito é descrito na seguinte figura:

As duas camadas vermelhas são camadas de materiais ferromagnéticos, ou seja, materiais que sob a açao de um campo magnetico podem se magnetizar de forma permanente - são finas camadas imãs. A camada azul central é feita de uma material não magnético porém suficientemente puro para que um elétron possa atravessá-lo praticamente sem mudar seu spin original (sem sofrer espalhamento que provoque uma mudança da orientação de seu spin).

Suponha que a primeira camada esteja magnetizada em uma certa direção. Em um material ferromagnético que esteja magnetizado, os estados disponíveis para condução de corrente elétrica tem todos spins alinhados na mesma direção que a magnetização (todos os estados com energia próxima a energia de Fermi tem sua componente de spin alinhada com a magnetização do material). Dessa forma a corrente que atravessa a primeira camada ferromagnética sai dela com uma boa parte de seus elétrons com seus spins apontando em uma direção especifica.

Então essa corrente atinge a camada não magnética e caminha na direção da outra camada ferromagnética. Suponha que a segunda camada ferromagnética esteja magnetizada na mesma direção que a primeira. Então existem estados disponíveis para os elétrons que estão chegando entrarem nessa camada e continuarem a conduzir corrente nessa direção. Dizemos então que a resistência elétrica do dispositivo como um todo é baixa.

No entanto se a segunda camada ferromagnética estiver magnetizada na direção oposta à primeira, então os elétrons que estão chegando não encontram estados disponíveis para ingressar naquele material pois seus spins estão alinhados na direção oposta a da magnetização da camada. A quantidade de elétrons que conseguem entrar nessa nova camada e continuar conduzindo é menor. Assim a resistência elétrica do dispositivo como um todo é bem mais alta.

Se de alguma forma conseguirmos travar a magnetização da primeira camada em uma certa direção (existem técnicas experimentais para fazer isso) e fizermos com que a segunda camada tenha uma magnetização facilmente manipulável, podemos "abrir" ou "fechar" uma válvula que aumenta ou diminue a passagem de corrente.

Assim se cria uma cabeça de leitura para discos rígidos por exemplo. Os dados estão gravados no disco de forma binária: cada pequeno trecho no disco armazena um "0" ou um "1" de maneira magnética, cada possibilidade correspondendo a uma diferente magnetização daquele pequeno pedaço do disco. Ao se aproximar a segunda camada magnética do disco ela vai orientar-se de acordo com o estado daquele trecho de disco permitindo assim a passagem de maior ou menor corrente de acordo com a informação gravada no disco.

Antes do advento dos dispositivos GMR a leitura era feita com pequenas bobinas. Entrentanto, bobinas cada vez menores apresentam cada vez menos capacidade de leitura e existe um limite para o tamanho operacional que a bobina pode ter, limitando a densidade de dados que pode ser armazenada em um disco rígido. As cabeças de leitura baseadas na GMR podem ser bem menores e continuar operando, permitindo assim o grande salto que o espaço de armazenamento dos discos rígidos tiveram no final dos anos 90.