De computers van vandaag bieden de opslag van enorme hoeveelheden informatie met extreem grote gegevensdichtheden, maar het schrijven en ophalen van deze informatie kost veel energie. Meer dan 99 procent van het verbruikte vermogen van informatieopslag en -verwerking wordt verspild in de vorm van warmte, een grote hoofdpijn die nog steeds niet is afgenomen.

Een team van onderzoekers uit Frankrijk en Rusland heeft nu een magneto-elektrische random access memory (MELRAM) cel ontwikkeld die de potentie heeft om de energie-efficiëntie te verhogen, en daardoor minder warmteverlies, in ordes van grootte voor leesbewerkingen bij kamertemperatuur. Het onderzoek kan helpen bij de productie van apparaten zoals instant-on laptops, bijna nul verbruik flash drives, en dataopslagcentra die veel minder airconditioning nodig hebben. Het onderzoeksteam rapporteerde hun bevindingen deze week in Technische Natuurkunde Brieven .

Miljarden transistors kunnen nu op enkele chips worden geëtst in een ruimte ter grootte van een dubbeltje. maar op een gegeven moment het verhogen van dit aantal voor nog betere prestaties met dezelfde ruimte is niet mogelijk. De enorme dichtheid van deze nanoscopische transistoren vertaalt zich in meer ongewenste warmte, samen met interacties op kwantumniveau die nu moeten worden aangepakt.

In de afgelopen jaren, het onderzoek is opgevoerd om de magnetische eigenschappen van elektronen te onderzoeken in een fenomeen dat het magneto-elektrische effect wordt genoemd. Dit effect, vaak interessant op het gebied van onderzoek dat bekend staat als spintronica, maakt gebruik van de spin van een elektron, in plaats van zijn lading. Spins kunnen mogelijk worden gemanipuleerd op kleinere schaal met veel minder energie.

De meeste inspanningen waren gericht op het verminderen van de energie van de schrijfbewerkingen in magnetische geheugens, aangezien deze bewerkingen doorgaans meer energie verbruiken dan leesbewerkingen. In 2010, hetzelfde Franse en Russische team toonde aan dat een combinatie van magneto-elastische en piëzo-elektrische materialen in een magneto-elektrische geheugencel een 100-voudige reductie van de energie die nodig is voor het schrijfproces mogelijk zou maken. In de laatste paper van de onderzoekers, ze laten zien dat hetzelfde magneto-elektrische principe ook kan worden gebruikt voor leesbewerkingen met een extra laag energieverbruik.

"We hebben ons in dit artikel gericht op leesbewerkingen omdat het potentieel voor de schrijfenergie erg laag is in magneto-elektrische systemen, wat betekent dat de energie-output nu hoger zal zijn voor leesbewerkingen, " zei Nicolas Tiercelin, co-auteur van het artikel en een onderzoekswetenschapper van het Centre national de la recherche scientifique (CNRS) die onderzoek doet aan het Institute of Electronics, Micro-elektronica en nanotechnologie in Lille, Frankrijk.

De kern van de MELRAM-geheugencel van de onderzoekers is gebaseerd op het combineren van de eigenschappen van twee soorten materialen door ze mechanisch te koppelen. Magnetische legeringen - de ene gebaseerd op een combinatie van terbium-kobalt en de andere op basis van ijzer en kobalt - met een dikte van enkele nanometers worden op elkaar gestapeld. De legeringen vormen een magneto-elastisch nanocomposietmateriaal waarvan de magnetische spins reageren op mechanische spanning.

Deze legeringen worden vervolgens op een piëzo-elektrisch substraat geplaatst, die bestaat uit relaxor ferro-elektriciteit, exotische materialen die van vorm of afmetingen veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld.

"Samen, deze materialen vormen multiferroïsche heterostructuren waarin de controle van de magnetische eigenschappen mogelijk wordt gemaakt door het aanleggen van een elektrische spanning, ' zei Tiercelin.

"De meerlaagse nanocomposiet zorgt voor een sterke magneto-elektrische interactie bij kamertemperatuur, " zei Vladimir Preobrazjenski, een andere co-auteur van de paper en onderzoeksdirecteur van het Wave Research Center, Prokhorov General Physics Institute van de Russische Academie van Wetenschappen in Moskou. "Deze interactie is het basismechanisme voor de controle van magnetische toestanden door het elektrische veld. Dit kenmerk van het magneto-elektrische geheugen is de oorzaak van het extra lage stroomverbruik."