Magnetische gegevensopslag werd lange tijd als te traag beschouwd voor gebruik in het werkgeheugen van computers. Onderzoekers van ETH hebben nu een techniek onderzocht waarmee het schrijven van magnetische gegevens aanzienlijk sneller en met minder energie kan worden gedaan.

Al bijna zeventig jaar, magnetische banden en harde schijven zijn gebruikt voor gegevensopslag in computers. Ondanks de vele nieuwe technologieën die in de tussentijd zijn ontwikkeld, de gecontroleerde magnetisatie van een gegevensopslagmedium blijft de eerste keuze voor het archiveren van informatie vanwege de lange levensduur en lage prijs. Om Random Access Memory's (RAM's) te realiseren, echter, die worden gebruikt als het hoofdgeheugen voor het verwerken van gegevens in computers, magnetische opslagtechnologieën werden lang als ontoereikend beschouwd. Dat komt vooral door de lage schrijfsnelheid en het relatief hoge energieverbruik.

Pietro Gambardella, Professor aan de afdeling Materialen van de ETH Zürich, en zijn collega's, samen met collega's van de afdeling Natuurkunde en het Paul Scherrer Instituut (PSI), hebben nu aangetoond dat het gebruik van een nieuwe techniek, magnetische opslag kan nog steeds zeer snel en zonder energieverspilling worden bereikt.

Magnetisatie-inversie zonder spoelen

In traditionele magnetische gegevensopslagtechnologieën, tape of disk datadragers gecoat met een kobaltlegering worden gebruikt. Een stroomvoerende spoel wekt een magnetisch veld op dat de magnetisatierichting in een klein deel van de gegevensdrager verandert. Vergeleken met de snelheden van moderne processors, deze procedure is erg traag, en de elektrische weerstand van de spoelen leidt tot energieverlies. Het zou, daarom, veel beter zijn als men de magnetisatierichting direct zou kunnen veranderen, zonder een omweg via magneetspoelen.

In 2011, Gambardella en zijn collega's demonstreerden al een techniek die precies dat kon:een elektrische stroom die door een speciaal gecoate halfgeleiderfilm ging, keerde de magnetisatie om in een kleine metalen stip. Dit wordt mogelijk gemaakt door een fysiek effect dat spin-orbit-torque wordt genoemd. Bij deze uitwerking een stroom die in een geleider vloeit, leidt tot een opeenhoping van elektronen met een tegengesteld magnetisch moment (spins) aan de randen van de geleider. Het elektron draait, beurtelings, creëren een magnetisch veld dat ervoor zorgt dat de atomen in een nabijgelegen magnetisch materiaal de oriëntatie van hun magnetische momenten veranderen. In een nieuwe studie hebben de wetenschappers nu in detail onderzocht hoe dit proces werkt en hoe snel het gaat. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Ruimtelijke resolutie met röntgenstralen

In hun experiment hebben de onderzoekers keerden de magnetisatie van een kobaltpunt met een diameter van slechts 500 nanometer om met behulp van elektrische stroompulsen die door een aangrenzende platinadraad stroomden. Tijdens dit proces, ze stelden de kobaltstip bloot aan sterk gefocuste röntgenstralen die werden gecreëerd bij de Zwitserse lichtbron van PSI. De röntgenstralen scanden de stip achtereenvolgens met een ruimtelijke resolutie van 25 nanometer. Hoe sterk de stip de röntgenstralen op een bepaald punt absorbeerde, hing af van de lokale magnetisatierichting.

"Op deze manier kregen we een tweedimensionaal beeld van de magnetisatie in de kobaltstip en konden we kijken hoe de huidige puls deze geleidelijk veranderde", legt Manuel Baumgartner uit, hoofdauteur van de studie en promovendus in de onderzoeksgroep van Gambardella.

Zo konden de onderzoekers waarnemen dat de magnetisatie-inversie in minder dan één nanoseconde gebeurde, aanzienlijk sneller dan bij andere recent bestudeerde technieken. "Bovendien, we kunnen nu op basis van de experimentele parameters voorspellen wanneer en waar de magnetisatie-inversie begint en waar deze eindigt", Gambardella voegt eraan toe. Bij andere technieken wordt de inversie ook aangedreven door een elektrische stroom, maar het wordt veroorzaakt door thermische fluctuaties in het materiaal, die grote variaties in de timing van de inversie veroorzaakt.

Mogelijke toepassing in RAM's

De onderzoekers stuurden tot een biljoen inversiepulsen door de kobaltstip met een frequentie van 20 MHz zonder enige vermindering van de kwaliteit van de magnetisatie-inversie waar te nemen. "Dit geeft ons de hoop dat onze technologie geschikt moet zijn voor toepassingen in magnetische RAM's", zegt Gambardella's voormalige postdoc Kevin Garello, ook een hoofdauteur van de studie. Garello werkt nu in het onderzoekscentrum IMEC in Leuven, België, het onderzoeken van de commerciële realisatie van de techniek.

In een eerste stap, de onderzoekers willen nu hun materialen optimaliseren om de inversie nog sneller en bij kleinere stromen te laten werken. Een extra mogelijkheid is om de vorm van de kobaltstippen te verbeteren. Voor nu, die zijn rond, maar andere vormen zoals ellipsen of diamanten zouden de magnetisatie-inversie nog efficiënter kunnen maken, zeggen de onderzoekers. Magnetische RAM's kunnen, onder andere, het laden van het besturingssysteem bij het opstarten van een computer overbodig maken - de relevante programma's blijven in het werkgeheugen, zelfs als de stroom is uitgeschakeld.