Geheugenchips behoren tot de meest elementaire componenten in computers. Het RAM-geheugen is waar processors tijdelijk hun gegevens opslaan, wat een cruciale functie is. Onderzoekers uit Dresden en Bazel hebben nu de basis weten te leggen voor een nieuw geheugenchipconcept. Het heeft het potentieel om aanzienlijk minder energie te verbruiken dan de tot nu toe geproduceerde chips - dit is niet alleen belangrijk voor mobiele toepassingen, maar ook voor big data-computercentra. De resultaten worden gepresenteerd in het laatste deel van het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

De puur elektrische geheugenchips die tegenwoordig veel worden gebruikt, hebben een belangrijk nadeel:"Dit geheugen is vluchtig en de toestand ervan moet continu worden ververst, " zegt Dr. Tobias Kosub, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker aan het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). "Dit kost best veel energie." De gevolgen zijn te zien, bijvoorbeeld, bij grote rekencentra. Aan de ene kant, hun elektriciteitsrekening stijgt met de toegenomen rekenkracht. Anderzijds, de chips warmen steeds meer op op basis van hun energieverbruik. De datacenters hebben het steeds moeilijker om deze warmte af te voeren. Sommige cloudoperators gaan zelfs zo ver dat ze hun serverfarms in koude streken opzetten.

Er is een alternatief voor deze elektrische geheugenchips. MRAM's slaan gegevens magnetisch op en hoeven daarom niet constant te worden vernieuwd. Zij doen, echter, relatief grote elektrische stromen nodig hebben om de gegevens naar het geheugen te schrijven, wat de betrouwbaarheid vermindert:"Ze dreigen te snel te verslijten en kapot te gaan als er storingen optreden tijdens het schrijf- of leesproces, ' zegt Kosub.

Elektrische spanning in plaats van stroom

De wetenschappelijke wereld werkt dan ook al geruime tijd aan MRAM-alternatieven. Een materiaalklasse genaamd "magneto-elektrische antiferromagneten" lijkt bijzonder veelbelovend. Deze magneten worden geactiveerd door een elektrische spanning in plaats van door een stroom. "Deze materialen kunnen niet gemakkelijk worden gecontroleerd, ", legt HZDR-groepsleider Dr. Denys Makarov uit. "Het is moeilijk om er gegevens op te schrijven en weer uit te lezen." Tot nu toe werd aangenomen dat deze magneto-elektrische antiferromagneten alleen indirect via ferromagneten kunnen worden uitgelezen, die, echter, doet veel van de voordelen teniet. Het doel is daarom om een ​​zuiver antiferromagnetisch magneto-elektrisch geheugen (AF-MERAM) te produceren.

Dat is nu precies wat de onderzoeksteams uit Dresden en Bazel voor elkaar hebben gekregen. Ze ontwikkelden een nieuw AF-MERAM-prototype op basis van een dunne laag chroomoxide. Deze wordt - als een sandwichvulling - tussen twee nanometer dunne elektroden gestoken. Als er een spanning op deze elektroden staat, het chroomoxide "knipt" in een andere magnetische toestand - en het bit wordt geschreven. De sleutel is dat een paar volt voldoende is. “In tegenstelling tot andere concepten, we zouden de spanning met een factor vijftig kunnen verlagen, " aldus Kosub. "Hierdoor kunnen we een stukje schrijven zonder overmatig energieverbruik en verhitting." Een bijzondere uitdaging was het kunnen uitlezen van het geschreven stukje.

Om dat te kunnen doen, de natuurkundigen plakten een nanometer dunne platinalaag op het chroomoxide. Het platina maakt de uitlezing mogelijk via een speciaal elektrisch fenomeen - het Anomalous Hall-effect. Het eigenlijke signaal is erg klein en wordt gesuperponeerd door stoorsignalen. "We konden, echter, een methode ontwikkelen die de storm van interferentie onderdrukte, waardoor we het nuttige signaal kunnen verkrijgen, Makarov beschrijft. "Dit was, in feite, de doorbraak.” De resultaten zien er veelbelovend uit volgens Prof. Oliver G. Schmidt van het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, die ook deelnam aan het onderzoek:"Het wordt spannend om na te gaan hoe deze nieuwe benadering zich zal positioneren ten opzichte van de gevestigde siliciumtechnologie." Nu gaan de onderzoekers het concept verder uitwerken.

"Het materiaal werkt tot nu toe bij kamertemperatuur, maar alleen binnen een smal raam, ", zegt Kosub. "We willen het assortiment flink uitbreiden door selectief het chroomoxide aan te passen." Om dit te bereiken, de collega's van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel hebben een belangrijke bijdrage geleverd. Hun nieuwe onderzoeksmethode levert voor het eerst beelden op van de magnetische eigenschappen van het chroomoxide met resolutie op nanoschaal. De experts streven er nu naar om meerdere geheugenelementen op één chip te integreren. Tot dusver, slechts een enkel element werd gerealiseerd, die slechts één bit kan opslaan. De volgende stap, een cruciale richting mogelijke toepassingen, is om een ​​array van verschillende elementen te construeren. "In principe, dergelijke geheugenchips kunnen worden geproduceerd met behulp van standaardmethoden die worden gebruikt door computerfabrikanten, ", zegt Makarov. "Dit is een van de redenen waarom de industrie grote interesse heeft getoond in dergelijke componenten."