Onderzoekers op het gebied van elektrotechniek en computertechnologie van de Universiteit van Minnesota hebben een magnetische tunnelverbinding gemaakt die kan worden geschakeld door een lichtpuls van een biljoenste van een seconde - een nieuw record. De magnetische tunneljunctie is van cruciaal belang voor de vooruitgang van de informatietechnologie met de beëindiging van de wet van Moore, een principe dat de micro-elektronica-industrie al vijf decennia beheerst.

Deze vooruitgang is veelbelovend voor de ontwikkeling van nieuwe, optisch gestuurd, ultrasnelle magnetische apparaten die gezamenlijk spintronica worden genoemd (elektronica die optische en magnetische nanotechnologieën combineert). Deze apparaten kunnen leiden tot innovaties in de opslag, verwerken, en communicatie van informatie. Een voorbeeld van een dergelijke innovatie is de ontwikkeling van een systeem dat, zoals het menselijk brein, kan een grote hoeveelheid gegevens tegelijkertijd opslaan en analyseren. De details van het apparaat en de tests die erop zijn uitgevoerd, worden gerapporteerd in een onlangs gepubliceerd artikel in Fysieke beoordeling toegepast , een tijdschrift van de American Physical Society.

Typisch, de magnetische tunnelovergang heeft een "sandwich-achtige" structuur die bestaat uit twee lagen magnetische materialen met een isolerende laag, barrière genoemd, middenin. Informatie wordt op het magnetische materiaal geschreven door de magnetisatie van een van de lagen om te keren. Dit omkeringsproces omvat vaak spiraalbeweging in de draaiende elektronen, spinverwerking genoemd. Echter, er is een beperking aan hoe snel de spinverwerking kan zijn. De remmen worden toegepast op ongeveer 1,6 GHz, een huidig ​​snelheidsrecord dat veel langzamer is dan siliciumtransistors. Om hogere schrijfsnelheden mogelijk te maken, de snelheidsbeperkingen moeten worden overwonnen.

"Met onze uitvinding van een nieuwe magnetische tunneljunctie, er is nu een manier om dingen te versnellen, " zei Mo Li, een universitair hoofddocent aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Universiteit van Minnesota die het onderzoek leidde.

Geïnspireerd door de ontdekking van 2007 door Nederlandse en Japanse wetenschappers die aantonen dat de magnetisatie van een legering van een zeldzaam aardelement, genaamd gadolinium (Gd), met ijzer (Fe), en kobalt (Co) kunnen worden geschakeld met behulp van lichtpulsen, Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota gebruikten de legering om de bovenste magnetische laag van een conventionele magnetische tunnelovergang te vervangen. Een andere wijziging die ze aan het apparaat aanbrachten, was het gebruik van een transparant elektrisch materiaal, indiumtinoxide genaamd, voor de elektrode om licht door te laten. Deze lagen zijn gestapeld tot een pilaar met een diameter van 10 μm, dat is slechts een tiende van de diameter van een typisch mensenhaar.

Om hun werk te testen, onderzoekers stuurden laserpulsen naar het aangepaste apparaat met behulp van een goedkope laser op basis van optische vezels die ultrakorte pulsen van infrarood licht uitzendt. De pulsen worden één in elke microseconde verzonden (een miljoenste van een seconde), maar elke puls is korter dan een biljoenste van een seconde. Elke keer dat een puls de pilaar van de magnetische tunnelverbinding raakt, de wetenschappers observeerden een sprong in de spanning op het apparaat. De verandering in spanning bevestigt dat de weerstand van de magnetische tunnelovergang "sandwich" verandert telkens wanneer de magnetisatie van de GdFeCo-laag wordt omgeschakeld. Omdat elke laserpuls minder dan 1 picoseconde duurt (een miljoenste van een microseconde), het apparaat kan gegevens ontvangen met een verbazingwekkende snelheid van 1 terabit per seconde.

Li zei dat het onderzoek opwindende vooruitzichten biedt. "Ons resultaat creëert een nieuw communicatiemiddel tussen glasvezel en magnetische apparaten. Terwijl glasvezel een ultrahoge datasnelheid biedt, magnetische apparaten kunnen gegevens opslaan op een niet-vluchtige manier met een hoge dichtheid, " hij zei.

Professor Jian-Ping Wang, directeur van het Centrum voor Spintronische Materialen, interfaces, and Novel Structures (C-SPIN) gebaseerd op de Universiteit van Minnesota en co-auteur van de studie, ziet ook grote belofte. "De resultaten bieden een pad naar een nieuwe categorie optische spintronische apparaten die het potentieel hebben om toekomstige uitdagingen aan te gaan voor de ontwikkeling van toekomstige intelligente systemen.

"Deze systemen zouden spin-apparaten kunnen gebruiken als neuronen en synapsen om computer- en opslagfuncties uit te voeren, net als de hersenen, terwijl ze licht gebruiken om de informatie over te brengen, ' zei Wang.

Het uiteindelijke doel van het onderzoeksteam is om de grootte van de magnetische tunneljunctie te verkleinen tot minder dan 100 nanometer en de benodigde optische energie te verminderen. Hiertoe, het team zet zijn onderzoek voort, en is momenteel bezig met het optimaliseren van het materiaal en de structuur van het apparaat, en werken aan de integratie ervan met nanofotonica. Naast Li en Wang, postdoctoraal medewerker Junyang Chen, en afgestudeerde student Li He zijn hoofdauteurs van het papier.