Nanomagnetismo e Gravação Magnética
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Publicado 13/11/2017 - 08h01

Nanomagnetismo e Gravação Magnética

O prefixo “nano” surge das dimensões dos objetos investigados, com tamanhos da ordem de até alguns nanômetros, ou seja, com dimensões de um milionésimo de um milímetro (1 nm = 10-9 m, ver box). Para dar uma idéia da pequeneza desses entes, imagine a esfera na ponta de uma caneta comum (com 0,8 mm de diâmetro): ela poderia conter mais de 60 mil bilhões (6 × 1013) de partículas de 10 nanômetros cada uma. Sendo assim, para estudar objetos nanométricos são necessários equipamentos modernos, caros e sofisticados, e técnicas de preparação muito específicas para conseguir controlar o tamanho das partículas em uma escala de tamanhos tão pequena. Talvez seja por isso que a revolução nanotecnológica demorou tanto para começar, apesar de ter sido prenunciada pelo Físico americano Richard Feynman já em 1959, no seu famoso discurso “There’s plenty of room at the bottom” (“Há mais espaços lá embaixo”, ver tradução em na edição de novembro de 2002 da revista eletrônica ComCiência http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano19.htm). Na realidade, estamos assistindo apenas ao início dessa revolução, e, para passar de meros assistentes para participantes ativos devemos tomar uma ação efetiva, que permita a pesquisa e a tecnologia brasileiras atuar competitivamente nessa área emergente.
Muito se pode falar sobre a importância futura da nanociência e da nanotecnologia, e de como poderão eventualmente mudar a nossa vida. Mas vamos falar de uma área específica, o nanomagnetismo, na qual atuo como pesquisador em Física. Nessa área a nanociência já é uma realidade, e a tecnologia está rapidamente atingindo as dimensões nanoscópicas. E o exemplo mais dramático ocorre em um setor absolutamente vital para nossa vida diária: a gravação e leitura magnéticas. Seja no seu computador pessoal, nos sistemas bancários, na receita federal, ou em qualquer outra situação cotidiana, temos que lidar com a gravação magnética, onde grandes volumes de informação são armazenados em mídia magnética (filmes finos magnéticos, geralmente de Cobalto, Platina e Cromo) na forma de “bits” binários de informação. Essa informação armazena-se em pequenas regiões magnéticas, que permanecem magnetizadas em um sentido (representando o zero) ou outro (representando o um). Dizemos então que o vetor momento magnético de cada região aponta em um sentido ou outro, no plano do filme. O sentido desse vetor mede-se com um cabeçote de leitura ultra-sensível, cuja tecnologia também tem evoluído muito nos últimos anos. Com o contínuo avanço da tecnologia e a crescente demanda do mercado as indústrias buscam cada vez mais miniaturizar os equipamentos e aumentar a densidade de informação de um disco rígido, isto é, aumentar a quantidade de informação armazenada por unidade de área. Atinge-se esse objetivo ao diminuir o tamanho efetivo dos bits, quer dizer, diminuindo a área que se mantêm magnetizada em um dado sentido, indicando 0 ou 1. E a indústria de gravação magnética tem feito isso há 40 anos, nos quais conseguiram-se avanços significativos: Nos anos sessenta a densidade de gravação conseguida era da ordem de alguns kbits/cm2. Ela foi aumentando significativamente ano após ano, e no ano 2003 alguns discos disponíveis no mercado apresentam densidades de 5 Gbits/cm2, o que representa um aumento total de aproximadamente nove milhões de vezes. Nos últimos anos, o setor empresarial nessa área tem conseguido o feito impressionante de dobrar a capacidade dos discos rígidos a cada nove ou dez meses. E esse feito decorre de uma melhoria de todo o sistema de gravação e leitura, incluindo a parte mecânica, a parte eletrônica, e a parte de leitura e gravação.
Para aumentar a densidade superficial de informação em um material magnético foi necessário reduzir o tamanho do bit. Por exemplo, em 1990, um bit magnético tinha o tamanho médio de 12 μm de altura por 0,60 μm de largura, com o qual se conseguiam densidades de informação de 14 Mbits/cm2. Em apenas dez anos, esse bit diminuiu para um retângulo de 0,25 μm × 0,03 μm em protótipos de laboratório, que consegue comportar uma densidade de aproximadamente 12,5 Gbits/cm2. A meta é seguir reduzindo o tamanho do bit, rumo à escala nanométrica, para aumentar ainda mais a densidade de informação.
Mas hoje em dia estamos chegando muito próximos a um impasse. É simples perceber que se diminuirmos ainda mais o tamanho dos bits conseguiremos aumentar enormemente a densidade de informação, atingindo valores impressionantes de 150-200 Gbits/cm2 (da ordem de alguns terabits por polegada quadrada). Entretanto, além das dificuldades técnicas de conseguir detectar partículas tão pequenas, temos uma dificuldade intrínseca, que é consequência direta da Física do sistema, e impede que a informação se mantenha gravada. Isso ocorre porque os momentos magnéticos da nanopartícula não ficam em um sentido único por muito tempo, pois a energia térmica em temperatura ambiente é suficiente para impedir que os momentos magnéticos apontem em um sentido específico. O sentido do vetor altera-se continuamente, e portanto não se consegue manter uma informação fixa por um tempo adequado. Esse fenômeno é conhecido como superparamagnetismo. Diz-se que a mídia magnética atual está atingindo o limite superparamagnético, isso significa que os bits magnéticos de informação estão ficando tão pequenos que não conseguem manter a informação armazenada por muito tempo.
E é exatamente nesse problema que boa parte da comunidade de cientistas envolvidos em aplicações de materiais magnéticos estão trabalhando hoje em dia. Não se sabe ao certo qual das tecnologias finalmente vingará, pois ainda estão no estágio inicial de estudo, mas somente com muita pesquisa e dedicação se encontrará o melhor caminho.