Onderzoekers van UC Berkeley en UC Riverside hebben een nieuwe, ultrasnelle methode voor het elektrisch regelen van magnetisme in bepaalde metalen, een doorbraak die zou kunnen leiden tot sterk verbeterde prestaties en energiezuinigere computergeheugen- en verwerkingstechnologieën.

De bevindingen van de groep, onder leiding van Berkeley elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) professor Jeffrey Bokor, worden gepubliceerd in een paar artikelen in de tijdschriften wetenschappelijke vooruitgang (Vol. 3, nr. 49, 3 november 2017) en Technische Natuurkunde Brieven (Deel III, Nummer 4, 24 juli 2017).

Computers gebruiken verschillende soorten geheugentechnologieën om gegevens op te slaan. Lange termijn geheugen, meestal een harde schijf of flashstation, moet compact zijn om zoveel mogelijk gegevens op te slaan. Maar de centrale verwerkingseenheid (CPU) - de hardware waarmee computers kunnen rekenen - heeft zijn eigen geheugen nodig voor de kortetermijnopslag van informatie terwijl bewerkingen worden uitgevoerd. Random Access Memory (RAM) is een voorbeeld van zo'n kortetermijngeheugen.

Het lezen en schrijven van gegevens naar RAM moet extreem snel zijn om de berekeningen van de CPU bij te houden. De meeste huidige RAM-technologieën zijn gebaseerd op het vasthouden van lading (elektronen), en kan worden geschreven met snelheden van miljarden bits per seconde (of bits/nanoseconde). Het nadeel van deze op lading gebaseerde technologieën is dat ze vluchtig zijn, constante stroom nodig hebben, anders verliezen ze de gegevens.

In recente jaren, magnetische alternatieven voor RAM, bekend als Magnetic Random Access Memory (MRAM), de markt hebben bereikt. Het voordeel van magneten is dat ze informatie behouden, zelfs wanneer geheugen en CPU zijn uitgeschakeld, waardoor energiebesparing mogelijk is. Maar die efficiëntie gaat ten koste van de snelheid. Een grote uitdaging voor MRAM was om het schrijven van een enkel bit informatie te versnellen tot minder dan 10 nanoseconden.

"De ontwikkeling van een niet-vluchtig geheugen dat even snel is als op lading gebaseerde willekeurig toegankelijke geheugens, zou de prestaties en energie-efficiëntie van computerapparatuur drastisch kunnen verbeteren, " zegt Bokor, die ook een senior wetenschapper is in de Materials Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab). "Dat motiveerde ons om op zoek te gaan naar nieuwe manieren om magnetisme in materialen te beheersen met veel hogere snelheden dan in het huidige MRAM."

"Geïnspireerd door recente experimenten in Nederland met ultrasnel magnetisch schakelen met korte laserpulsen, we hebben speciale circuits gebouwd om te bestuderen hoe magnetische metalen reageren op elektrische pulsen van slechts enkele biljoensten van een seconde, " of picoseconden, zegt coauteur Yang Yang (M.S.'13 Ph.D.'17 MSE). "We ontdekten dat in een magnetische legering bestaande uit gadolinium en ijzer, deze snelle elektrische pulsen kunnen de richting van het magnetisme veranderen in minder dan 10 picoseconden. Dat is orden van grootte sneller dan welke andere MRAM-technologie dan ook."

"De elektrische puls verhoogt tijdelijk de energie van de elektronen van het ijzeratoom, " zegt Richard Wilson, momenteel een assistent-professor werktuigbouwkunde aan UC Riverside, die zijn werk aan dit project begon als postdoctoraal onderzoeker in EECS in Berkeley. "Deze toename in energie zorgt ervoor dat het magnetisme in de ijzer- en gadoliniumatomen een koppel op elkaar uitoefent, en leidt uiteindelijk tot een heroriëntatie van de magnetische polen van het metaal. Het is een compleet nieuwe manier om elektrische stromen te gebruiken om magneten te besturen."

Na hun eerste demonstratie van elektrisch schrijven in de speciale gadolinium-ijzerlegering, het onderzoeksteam zocht manieren om hun methode uit te breiden naar een bredere klasse van magnetische materialen. "De speciale magnetische eigenschappen van de gadolinium-ijzerlegering maken dit werk, " zegt Charles-Henri Lambert, een Berkeley EECS-postdoc. "Daarom, het was een spannende uitdaging om een ​​manier te vinden om onze aanpak voor snel elektrisch schrijven uit te breiden naar een bredere klasse van magnetische materialen."

Het aanpakken van die laatste uitdaging was het onderwerp van een tweede studie, gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven in juli. "We ontdekten dat wanneer we een magnetisch metaal met één element, zoals kobalt, op de gadolinium-ijzerlegering stapelen, de interactie tussen de twee lagen stelt ons in staat om het magnetisme van het kobalt ook op ongekende tijdschalen te manipuleren, " zegt Jon Gorchon, een postdoctoraal onderzoek in de Materials Sciences Division bij Lawrence Berkeley Lab en in EECS bij UC Berkeley.

"Samen, deze twee ontdekkingen bieden een route naar ultrasnelle magnetische geheugens die een nieuwe generatie hoogwaardige, low-power computerprocessors met hoge snelheid, niet-vluchtige herinneringen direct op de chip, ' zegt Bokor.