Luqiao Liu era o tipo de criança que preferia desmontar seus brinquedos para ver como eles funcionavam do que brincar com eles do jeito que deveriam.

A curiosidade tem sido uma força motriz ao longo de sua vida e o levou ao MIT, onde Liu é um professor associado recém-contratado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica.

Em vez de desmontar as coisas, ele agora está usando novos materiais e técnicas de fabricação em nanoescala para construir eletrônicos de última geração que usam muito menos energia do que os dispositivos convencionais. A curiosidade ainda é útil, diz ele, especialmente porque ele e seus colaboradores trabalham no território amplamente desconhecido da eletrônica de spin – um campo que surgiu apenas na década de 1980.

“Há muitos desafios que devemos superar em nosso trabalho. Na eletrônica de spin, ainda existe uma lacuna entre o que poderia ser feito fundamentalmente e o que foi feito até agora. Ainda há muito a estudar para obter melhores materiais e encontrar novos mecanismos para que possamos alcançar um desempenho cada vez maior”, diz Liu, que também é membro do MIT-IBM Watson AI Lab.

Os elétrons são partículas subatômicas que possuem uma propriedade quântica fundamental conhecida como spin. Uma maneira de visualizar isso é pensar em um pião que gira em torno de si mesmo, o que dá ao pião momento angular. Esse momento angular, um produto da massa, raio e velocidade do pião, é conhecido como seu giro.

Embora os elétrons não girem tecnicamente em um eixo como um pião, eles possuem o mesmo tipo de rotação. Seu momento angular pode estar apontando “para cima” ou “para baixo”. Em vez de usar cargas elétricas positivas e negativas para representar informações binárias (1s e 0s) em dispositivos eletrônicos, os engenheiros podem usar a natureza binária do spin do elétron.

Como é preciso menos energia para mudar a direção do spin dos elétrons, o spin do elétron pode ser usado para alternar transistores em dispositivos eletrônicos usando muito menos energia do que com a eletrônica tradicional. Transistores, os blocos de construção básicos da eletrônica moderna, são usados ??para regular os sinais elétricos.

Além disso, devido ao seu momento angular, os elétrons se comportam como minúsculos ímãs. Os pesquisadores podem usar essas propriedades magnéticas para representar e armazenar informações no hardware da memória do computador. Liu e seus colaboradores pretendem acelerar o processo, removendo os gargalos de velocidade que impedem dispositivos de memória de computador de baixo consumo e alto desempenho.

O caminho de Liu para estudar hardware de memória de computador e eletrônica de rotação começou com ímãs de geladeira. Quando criança, ele se perguntava por que um ímã grudava na geladeira.

Essa curiosidade inicial ajudou a despertar seu interesse por ciências e matemática. À medida que se aprofundou nessas matérias no ensino médio e na faculdade, aprendendo mais sobre física, química e eletrônica, sua curiosidade sobre o magnetismo e seus usos em computadores se aprofundou.

Quando teve a oportunidade de fazer doutorado na Cornell University e ingressar em um grupo de pesquisa que estudava materiais magnéticos, Liu encontrou a combinação perfeita.

“Passei os próximos cinco ou seis anos procurando maneiras novas e mais eficientes de gerar corrente de spin do elétron e usá-la para gravar informações nas memórias magnéticas do computador”, diz ele.

Embora fosse fascinado pelo mundo da pesquisa, Liu queria tentar uma carreira na indústria, então ingressou no TJ Watson Research Center da IBM após a pós-graduação. Lá, seu trabalho se concentrou no desenvolvimento de hardware de memória magnética de acesso aleatório mais eficiente para computadores.

“Fazer algo finalmente funcionar em um formato disponível comercialmente é muito importante, mas não me encontrei totalmente envolvido com esse tipo de trabalho de ajuste fino. Eu queria mostrar a viabilidade de um trabalho muito inovador – para provar que algum novo conceito é possível”, diz Liu. Ele ingressou no MIT como professor assistente em 2015.

Alguns dos trabalhos mais recentes de Liu no MIT envolvem a construção de memórias de computador usando materiais antiferromagnéticos em nanoescala. Materiais antiferromagnéticos, como o manganês, contêm íons que agem como minúsculos ímãs devido ao spin do elétron. Eles se organizam de modo que os íons girando “para cima” e os que giram “para baixo” fiquem opostos um ao outro, de modo que o magnetismo se cancela.

Como não produzem campos magnéticos, os materiais antiferromagnéticos podem ser agrupados em um dispositivo de memória, o que leva a uma maior capacidade de armazenamento. E a falta de um campo magnético significa que os estados de rotação podem ser alternados entre “para cima” e “para baixo” muito rapidamente, de modo que os materiais antiferromagnéticos podem alternar os transistores muito mais rapidamente do que os materiais tradicionais, explica Liu.

“Na comunidade científica, está em debate se é possível mudar eletricamente a orientação do spin dentro desses materiais antiferromagnéticos. Usando experimentos, mostramos que você pode”, diz ele.

Em seus experimentos, Liu costuma usar materiais novos que foram criados há apenas alguns anos, então todas as suas propriedades ainda não são bem compreendidas. Mas ele gosta do desafio de integrá-los a dispositivos e testar sua funcionalidade. Encontrar materiais melhores para alavancar o spin do elétron nas memórias do computador pode levar a dispositivos que usam menos energia, armazenam mais informações e retêm essas informações por um período de tempo mais longo.

Liu aproveita o equipamento de ponta dentro do MIT.nano , um centro de pesquisa em nanoescala compartilhado de 214.000 pés quadrados, para construir e testar dispositivos em nanoescala. Ter essas instalações de última geração ao seu alcance é uma benção para sua pesquisa, diz ele.

Mas para Liu, o capital humano é o que realmente alimenta seu trabalho.

“Os colegas e alunos são a parte mais preciosa do MIT. Poder tirar dúvidas e conversar com as pessoas que são as mais inteligentes do mundo, essa é a experiência mais gostosa de fazer esse trabalho”, afirma.

Ele, seus alunos e colegas estão impulsionando o jovem campo da eletrônica de spin.

No futuro, ele prevê o uso de materiais antiferromagnéticos em conjunto com as tecnologias existentes para criar dispositivos de computação híbridos que alcancem um desempenho ainda melhor. Ele também planeja mergulhar mais fundo no mundo das tecnologias quânticas. Por exemplo, a eletrônica de spin pode ser usada para controlar com eficiência o fluxo de informações em circuitos quânticos, diz ele.

Na computação quântica, o isolamento do sinal é crítico – a informação deve fluir em apenas uma direção do circuito quântico para o circuito externo. Ele está explorando o uso de um fenômeno conhecido como onda de spin, que é a excitação do spin do elétron dentro de materiais magnéticos, para garantir que o sinal se mova apenas em uma direção.

Esteja ele investigando a computação quântica ou sondando as propriedades de novos materiais, uma coisa é verdadeira: Liu continua sendo movido por uma curiosidade insaciável.

“Estamos continuamente explorando, investigando muitos novos tópicos empolgantes e desafiadores com o objetivo de criar uma melhor memória de computação ou dispositivos de lógica digital usando a eletrônica de spin”, diz ele.