Een sterke, een korte lichtpuls kan gegevens vastleggen op een magnetische laag van yttrium-ijzer-granaat gedoteerd met Co-ionen. Dat hebben onderzoekers van de Radboud Universiteit in Nederland en de Bialystok Universiteit in Polen ontdekt. Het nieuwe mechanisme presteert beter dan bestaande alternatieven, waardoor de snelste lees-schrijf magnetische opname gepaard gaat met een ongekend lage warmtebelasting. Het onderzoek werd gerapporteerd in Natuur op 18 januari 2017.

Betrouwbaar, goedkope en snelle gegevensregistratie zal net zo cruciaal zijn voor de economie van de 21e eeuw als olie voor die van de 20e eeuw. Magnetische opname presteert in dat opzicht redelijk goed, maar datacenters raken oververhit door de sterk stijgende vraag naar cloudopslag – denk aan de omvang van Facebook- en WhatsApp-verkeer. Er is veel energie nodig om serverprocessors te koelen. hitte ondersteunde magnetische opname, of HAMR, de nieuwste innovatie in magnetische opname, zal dit probleem niet oplossen. Integendeel, het gebruikt de hitte van een laserpuls om het opnameproces te versnellen. Om deze reden, supersnelle magnetische opname die geen warmte produceert en geen elektromagneten nodig heeft, is de heilige graal van het huidige fundamentele en toegepaste onderzoek naar magnetisme.

Exotisch idee werkt

Onderzoekers van de Radboud Universiteit experimenteren al meer dan tien jaar met manieren om de energie van een lichtpuls te gebruiken om magneten te manipuleren. Professor Theo Rasing en zijn collega's publiceerden hun eerste resultaten in een artikel uit 2007 in het internationale tijdschrift Wetenschap .

Het probleem met hun eerste bevindingen was dat het mechanisme van de opname afhankelijk was van laser-geïnduceerde verwarming die temperaturen bereikte dicht bij de zogenaamde Curie-temperatuur, waarboven de magnetische orde wordt vernietigd. De opname via verhitting en gedeeltelijke vernietiging van de magnetische orde vormde een ernstige belemmering voor potentiële toepassingen. Verwarming heeft een negatieve invloed op de thermische stabiliteit van een opnamemedium, beperkt de herhalingsfrequentie door de afkoeltijd, en beperkt de opnamedichtheid als gevolg van warmtediffusie.

Spin-baan interactie

Om het verwarmingsprobleem aan te pakken is een medium nodig met een lage optische absorptie. Voor metalen met veel vrije elektronen, de absorptie van licht - en dus verwarming van het materiaal - is onvermijdelijk. Het betekent dat om de verwarming te verminderen, een diëlektrisch materiaal is vereist. Voor deze studie is de wetenschappers kozen voor yttrium-ijzer-granaat (YIG) - een van de model magnetische diëlektrica in fundamenteel en toegepast onderzoek. Het is onmogelijk om informatie op te nemen door licht op normale YIG. Maar om de gevoeligheid voor optische excitatie te vergroten, de wetenschappers hebben het gedoteerd met Co-ionen. Co-ionen staan ​​bekend om de sterke koppeling van magnetische momenten aan de baanbeweging van elektronen (de zogenaamde spin-baaninteractie). Licht kan de orbitale beweging van de elektronen in de ionen effectief veranderen en zo het magnetisme beïnvloeden. Experimenten voldeden volledig aan de verwachtingen van de wetenschappers. Ze ontdekten dat in de Co-substituted granaatfilm, een enkele lineair gepolariseerde femtoseconde laserpuls bevordert het schakelen van spins tussen verschillende toestanden.

"Door de polarisatie van de laserpuls te veranderen, we sturen deterministisch de netto magnetisatie in de granaat - we schrijven 0 en 1 magnetische bits naar believen, zegt natuurkundige Alexey Kimel van de Radboud Universiteit. "Dit mechanisme presteert beter dan bestaande alternatieven, waardoor de snelste magnetische schrijf-lees-opname ooit mogelijk is, lager dan twintig picoseconden, gepaard met een ongekend lage warmtebelasting." Kimel had moeite om financiering voor dit project te krijgen omdat zijn idee te exotisch werd geacht om te werken. De publicatie in Natuur bewijst dat hij gelijk had vanaf het begin.

Toepasbaar in datacenters en supercomputers

Het gebruik van licht voor het magnetisch inschakelen van granaatfilms zal waarschijnlijk niet worden toegepast in personal computers. "De technologische kloof tussen opslag op metaal en granaatkristal is te groot, Denkt Alexey Kimel. "Maar het zou wel eens een interessante optie kunnen zijn voor de big datawarehouses van Google en Facebook en dergelijke. Een ander mogelijk gebruik zou dataregistratie bij zeer lage temperaturen kunnen zijn. Supergeleidende elektronica en kwantumcomputers missen een snel geheugensysteem dat kan opnemen bij temperaturen onder de 10 Kelvin (-263 graden Celsius). Tot nu toe, dit was een serieus obstakel voor supergeleidend computergebruik."