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Avanço dos EUA em semicondutores com eficiência energética impressionante coloca o país em posição de desafiar a China no setor tecnológico
O avanço da tecnologia de armazenamento de dados é um tema central nas pesquisas de materiais semicondutores, e uma descoberta recente promete transformar esse campo.
Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Instituto Indiano de Ciências (IISc) desenvolveram uma técnica que amorfiza o seleneto de índio usando uma corrente elétrica, reduzindo drasticamente o consumo de energia desse processo.
O que é memória de mudança de fase (PCM)
A Memória de Mudança de Fase, conhecida pela sigla PCM (do inglês Phase Change Memory), é uma tecnologia promissora no armazenamento de dados que explora a capacidade de certos materiais de alterar seu estado entre amorfo e cristalino.
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Essa mudança de fase permite armazenar informações de forma binária, assim como um sistema liga/desliga, semelhante ao sistema binário de dados utilizado em computadores.
Atualmente, o PCM é aplicado em dispositivos como celulares e computadores, mas ainda enfrenta desafios em grande escala devido ao alto consumo de energia necessário para alterar a fase dos materiais.
Este processo é normalmente realizado através de fusão e têmpera, um método que exige resfriamento rápido após o material ser aquecido ao estado líquido, impedindo a formação de cristais.
Bella Ciervo
Semicondutores! A descoberta dos pesquisadores: redução no consumo de energia
Em uma colaboração recente entre a Índia e os EUA, os pesquisadores descobriram que é possível realizar uma mudança de fase com um bilionésimo da energia necessária em métodos eficientes, utilizando o seleneto de índice (In₂Se₃).
O uso desse material ambiental inaugura uma nova era para as capacidades de armazenamento de dados, especialmente em dispositivos de baixa potência.
O processo de amorfização, que transforma o material em uma fase amorfa, é normalmente obtido através de calor extremo.
No entanto, o grupo liderado por Ritesh Agarwal, da Universidade da Pensilvânia, declarou, há uma década, que pulsos elétricos conseguiam obter o mesmo efeito em materiais à base de germânio, antimônio e telúrio.
Mais recentemente, o estudo se expandiu para incluir o seleneto de índio, um semicondutor com propriedades únicas.
Propriedades únicas do seleneto de índio
O seleneto de índio (In₂Se₃) possui características ferroelétricas e piezoelétricas, o que significa que ele pode se polarizar espontaneamente e gerar corrente elétrica como resposta ao estresse mecânico. Essas propriedades facilitam o processo de amorfização com menor consumo de energia.
Para entender melhor o processo, Agarwal inveja amostras do material do professor Pavan Nukala, do Instituto Indiano de Ciências (IISc).
Nukala e sua equipe utilizaram um conjunto avançado de ferramentas de microscopia in-situ para observar as características. Os cientistas notaram que o processo de amorfização no In₂Se₃ ocorre de maneira semelhante a um terremoto ou avalanche.
O fenômeno da avalanche e terremoto no material
Durante a aplicação de uma corrente elétrica, pequenas regiões do seleneto de índio, medindo apenas um bilionésimo de metrô, começaram a amorfizar.
As propriedades piezoelétricas e a estrutura do material geram instabilidade, fazendo com que porções do In₂Se₃ mudem de posição, semelhante ao movimento da neve numa montanha prestes a desabar.
Quando a deformação atinge um ponto crítico, o material sofre uma propagação em cadeia de mudanças, semelhante às ondas sísmicas que ocorrem durante um terremoto. Essas ondas geram novas áreas amorfas, como uma avalanche.
É nesse ponto que a energia é utilizada de forma mais eficiente, uma vez que o processo se autorreforça.
Impacto e futuro da tecnologia PCM com seleneto de índio
A descoberta traz novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos de memória de baixo consumo. Shubham Parate, doutorando do IISc e integrante do estudo, descreve a experiência como “arrebatadora” ao observar todas essas características interagindo em diversas escalas.
O professor Agarwal destaca que a descoberta abre novos horizontes na área de transformações estruturais de materiais.
A partir dessas propriedades combinadas, é possível projetar dispositivos de memória com um consumo energético bastante reduzido, o que poderia se beneficiar desde pequenos dispositivos móveis até grandes centros de processamento de dados, que demandam alta eficiência.
Entretanto, ainda há desafios a serem enfrentados para que o PCM com seleneto de índio atinja o mercado de forma ampla. A compreensão completa das interações entre as propriedades piezoelétricas e ferroelétricas do In₂Se₃ é crucial para aprimorar a eficiência do processo e suas previsões em escalas industriais.
Conclusão
O estudo realizado por pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, MIT e IISc indica um futuro promissor para o armazenamento de dados em dispositivos com baixo consumo energético.
Ao utilizar correntes elétricas para amorfizar o seleneto de índio, foi possível reduzir drasticamente o consumo de energia do processo de mudança de fase.
Esta inovação tecnológica pode ser uma chave para resolver um dos maiores problemas do PCM, fornecendo armazenamento mais eficiente e sustentável.
