Um metal polivalente

 

Cristais de rutilo, a forma mais comum de dióxido de titânio encontrada na natureza (foto: Fersman Mineralogical Museum/Russian Academy of Science).

A trajetória da civilização se confunde com a história dos materiais. Da Idade da Pedra o homem chegou à Era do Silício, passando pela Idade do Bronze e do Ferro. Nos dias de hoje, outro elemento químico, o titânio, destaca-se pela importância de suas aplicações tecnológicas. Mas, ao invés de uma participação marcante em uma única tecnologia, como o ferro na metalurgia e o silício na indústria eletrônica, o titânio tem um amplo espectro de aplicações: ele é um verdadeiro curinga, polivalente por excelência.

Esse elemento pode ser usado na dessalinização da água do mar, na produção de pigmentos em tintas, na construção de artefatos nos quais o baixo peso é um parâmetro importante, sobretudo na indústria aeronáutica, na elaboração de próteses ortopédicas e dentárias, sensores de gás e baterias de carga rápida.

O titânio foi descoberto em 1791, pelo reverendo inglês William Gregor (1761-1817). Seu nome faz referência aos titãs, os primeiros filhos da terra, conforme a mitologia grega. Esse elemento é o quarto metal mais abundante na crosta terrestre, superado apenas por alumínio, ferro e magnésio. Na natureza o titânio é geralmente encontrado em três formas diferentes do mesmo óxido, TiO 2 – rutilo (a mais comum), anatásio e bruquita.

Esse elemento é tão resistente quanto o aço, mas 45% mais leve. É 60% mais pesado que o alumínio, mas duas vezes mais resistente. Ligas de titânio com alumínio, molibdênio, manganês, ferro e outros metais têm sido sistematicamente usadas na indústria aeronáutica, na qual o peso e a capacidade de suportar temperaturas extremas são propriedades de suma importância.

Da carga para o spin do elétron
A tecnologia do silício está enfrentando atualmente um impasse relacionado com a lei de Moore, segundo a qual o número de transistores em microprocessadores dobra a cada dois anos, multiplicando sua capacidade de processamento. Há um limite, no entanto, para essa progressão, que exige um processo de miniaturização incapaz de ser atendido pela tecnologia eletrônica de semicondutores, ou tecnologia do silício. A alternativa para superar essa limitação é uma nova tecnologia: a spintrônica. É nesse cenário que o titânio se prepara para ocupar um lugar de destaque.

Na spintrônica, ao invés do controle do movimento da carga do elétron, como ocorre na eletrônica, o que se deseja é o controle e a manipulação da carga e do spin do elétron. Essa palavra inglesa, que significa girar em torno de si mesmo, designa uma propriedade do elétron associada com o magnetismo. Um campo magnético é capaz de mudar a direção do spin do elétron, e é por meio dessa interação que se pode manipular essa propriedade.

Sob a ação de um campo magnético (seta azul), o spin pode apresentar duas orientações, para cima e para baixo.

A figura ao lado ilustra as duas possibilidades de orientação do spin na presença de um campo magnético externo (seta azul). Dependendo do tipo de átomo do material, o spin se orienta no mesmo sentido ou em sentido oposto ao campo magnético. Costuma-se denominar  ” spin para cima” aquele que se orienta no mesmo sentido do campo magnético e ” spin para baixo” o que se orienta em sentido contrário. Na spintrônica, esses dois estados são associados com os bits 0 e 1.

A nova geração de dispositivos spintrônicos será provavelmente baseada na dupla MRAM / válvula de spin . As MRAM (‘memórias magnéticas de acesso aleatório’ na sigla em inglês) serão usadas para armazenar dados, e válvula de spin , para a leitura dos mesmos.

Memórias de nova geração: do silício ao titânio
A grande vantagem das memórias magnéticas é que, além de serem não voláteis, ou seja, preservarem o material gravado mesmo após a interrupção da corrente elétrica, elas não necessitam de eletricidade para disponibilizar as informações gravadas. Nesse aspecto, elas diferem das memórias não-voláteis confeccionadas com semicondutores (como as memórias RAM, EPROM e EEPROM), que são lentas e requerem eletricidade para o acesso aos dados.

Essa tecnologia possibilitará a confecção de computadores instantâneos! Nessas máquinas, não será necessário o processo de inicialização, durante o qual as informações são transferidas do disco rígido para a RAM: simplesmente tudo estará na MRAM, para sempre, se assim desejarmos.

É aqui que o titânio começa a se fazer presente na revolução da spintrônica. Uma alternativa interessante para a fabricação das MRAM é o acréscimo de uma pequena quantidade de um elemento químico magnético ao composto semicondutor (procedimento chamado de dopagem ). Esses materiais dopados são conhecidos pela sigla DMS (semicondutor magnético diluído, em inglês). 

Esquema básico de um transistor spintrônico.

Os DMS serão usados para a fabricação de transistores spintrônicos, que funcionam basicamente assim: na camada ferromagnética, denominada emissora (à esquerda da figura), elétrons com determinada polarização são gerados e injetados na porta semicondutora. Neste caso em que as duas camadas ferromagnéticas têm magnetizações paralelas, os elétrons atravessarão a camada coletora (à direita da figura) se, na porta semicondutora, a polarização do spin permanecer imutável. Se ao longo da porta um campo magnético atuar sobre os elétrons e alterar a direção do spin , estes não serão captados pela camada coletora. Esse fenômeno é inteiramente análogo ao caso de um transistor eletrônico, que permite a passagem de corrente em um sentido e bloqueia no sentido contrário.

Temperatura de Curie
O dispositivo acima funciona enquanto as camadas magnéticas permanecerem ordenadas, isto é, enquanto as magnetizações mantiverem sua orientação fixa. Isso acontece se o material estiver em uma temperatura abaixo de determinado valor que chamamos de temperatura de Curie, T c . Acima dessa temperatura, o material fica magneticamente desordenado. Assim, para operar na temperatura ambiente, o dispositivo deve ser feito com material que tenha T c maior do que, digamos, 40ºC.

Os primeiros transistores spintrônicos foram confeccionados com semicondutores tradicionais, como arseneto de gálio (GaAs), telureto de cádmio (CdTe), seleneto de cádmio (CdSe) ou seleneto de zinco (ZnSe), dopados com metais de transição, como manganês, ferro, cobalto ou níquel. Entre as diversas tentativas, o composto que apresentou a maior T c foi GaAs dopado com manganês, mas esta não passou de -173ºC. Portanto, esse DMS não serve para operar em temperatura ambiente.

Em 2001, pesquisadores japoneses liderados por Hideomi Koinuma resolveram experimentar o TiO 2 , dopando-o com cobalto. O material apresentou o surpreendente valor de 127ºC para a temperatura de Curie. Desde então, quase uma centena de artigos científicos têm indicado a potencialidade desse material para a fabricação de dispositivos spintrônicos, sobretudo do tipo MRAM.

Os dispositivos fabricados com TiO 2 ainda não atingiram a escala industrial, mas o ambiente está bem preparado. Vários outros dispositivos da spintrônica encontram-se em alguns dos equipamentos mais modernos e as primeiras MRAM já começam a ser comercializadas pela Freescale, uma subsidiária da gigante Motorola. A IBM também está pronta para lançar no mercado memórias MRAM.

O interessante nessa indústria de alta tecnologia é que os produtos são lançados no mercado ao mesmo tempo em que estudos científicos básicos continuam em pleno desenvolvimento. Nesse particular, a comunidade científica brasileira tem muitas contribuições. Uma pesquisa nas bases de dados internacionais em busca de trabalhos sobre spintrônica e válvulas de spin mostra contribuições importantes da Universidade de São Paulo (USP), da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj) e das Universidades Federais Fluminense, de Pernambuco, do Paraná e do Rio Grande do Sul (UFF, UFPE, UFPR e UFRGS).

Carlos Alberto dos Santos

Núcleo de Educação a Distância

Universidade Estadual do Rio Grande do Sul

27/04/2007  

Matéria publicada em 27.04.2007

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