Een nieuwe benadering voor het beheersen van magnetisme in een microchip zou de deuren naar het geheugen kunnen openen, computergebruik, en detectieapparaten die drastisch minder stroom verbruiken dan bestaande versies. De aanpak zou ook enkele van de inherente fysieke beperkingen kunnen overwinnen die de vooruitgang op dit gebied tot nu toe hebben vertraagd.

Onderzoekers van het MIT en het Brookhaven National Laboratory hebben aangetoond dat ze de magnetische eigenschappen van een dunnefilmmateriaal kunnen regelen door simpelweg een kleine spanning aan te leggen. Veranderingen in magnetische oriëntatie die op deze manier worden gemaakt, blijven in hun nieuwe staat zonder dat er voortdurende kracht nodig is, in tegenstelling tot de huidige standaard geheugenchips, het team heeft gevonden.

De nieuwe bevinding wordt vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , in een paper van Geoffrey Beach, een professor in materiaalkunde en engineering en co-directeur van het MIT Materials Research Laboratory; afgestudeerde student Aik Jun Tan; en acht anderen bij MIT en Brookhaven.

Spindoctors

Naarmate siliciummicrochips dichter bij fundamentele fysieke limieten komen die hun vermogen zouden kunnen beperken om hun capaciteiten te blijven vergroten en tegelijkertijd hun stroomverbruik te verminderen, onderzoekers hebben een verscheidenheid aan nieuwe technologieën onderzocht die deze limieten zouden kunnen omzeilen. Een van de veelbelovende alternatieven is een benadering genaamd spintronica, die gebruik maakt van een eigenschap van elektronen genaamd spin, in plaats van hun elektrische lading.

Omdat spintronische apparaten hun magnetische eigenschappen kunnen behouden zonder dat er constant vermogen nodig is, welke silicium geheugenchips nodig hebben, ze hebben veel minder stroom nodig om te werken. Ze genereren ook veel minder warmte - nog een belangrijke beperkende factor voor de apparaten van vandaag.

Maar spintronic-technologie heeft zijn eigen beperkingen. Een van de grootste ontbrekende ingrediënten is een manier om gemakkelijk en snel de magnetische eigenschappen van een materiaal elektrisch te regelen, door een spanning aan te leggen. Veel onderzoeksgroepen over de hele wereld zijn die uitdaging aangegaan.

Eerdere pogingen waren gebaseerd op elektronenaccumulatie op het grensvlak tussen een metalen magneet en een isolator, met behulp van een apparaatstructuur vergelijkbaar met een condensator. De elektrische lading kan de magnetische eigenschappen van het materiaal veranderen, maar slechts voor een heel klein bedrag, waardoor het onpraktisch is voor gebruik in echte apparaten. Er zijn ook pogingen gedaan om ionen in plaats van elektronen te gebruiken om magnetische eigenschappen te veranderen. Bijvoorbeeld, zuurstofionen zijn gebruikt om een ​​dunne laag magnetisch materiaal te oxideren, veroorzaakt een extreem grote verandering in magnetische eigenschappen. Echter, het inbrengen en verwijderen van zuurstofionen zorgt ervoor dat het materiaal opzwelt en krimpt, mechanische schade veroorzaken die het proces beperkt tot slechts een paar herhalingen, waardoor het in wezen onbruikbaar wordt voor computerapparatuur.

De nieuwe bevinding toont een manier om dat te omzeilen, door waterstofionen te gebruiken in plaats van de veel grotere zuurstofionen die bij eerdere pogingen werden gebruikt. Omdat de waterstofionen heel gemakkelijk in en uit kunnen ritsen, het nieuwe systeem is veel sneller en biedt andere belangrijke voordelen, zeggen de onderzoekers.

Omdat de waterstofionen zoveel kleiner zijn, ze kunnen de kristallijne structuur van het spintronische apparaat binnenkomen en verlaten, het veranderen van de magnetische oriëntatie elke keer, zonder het materiaal te beschadigen. In feite, het team heeft nu aangetoond dat het proces na meer dan 2 geen degradatie van het materiaal veroorzaakt, 000 cycli. En, in tegenstelling tot zuurstofionen, waterstof kan gemakkelijk door metaallagen heen, waarmee het team de eigenschappen van lagen diep in een apparaat kan beheren die op geen enkele andere manier konden worden beheerd.

"Als je waterstof naar de magneet pompt, de magnetisatie roteert, " Zegt Tan. "Je kunt de richting van de magnetisatie zelfs 90 graden veranderen door een spanning aan te leggen - en het is volledig omkeerbaar." Omdat de oriëntatie van de polen van de magneet is wat wordt gebruikt om informatie op te slaan, dit betekent dat het mogelijk is om eenvoudig gegevens "bits" in spintronic-apparaten te schrijven en te wissen met behulp van dit effect.

Strand, wiens lab enkele jaren geleden het oorspronkelijke proces ontdekte om magnetisme te beheersen door zuurstofionen, zegt dat de eerste bevinding leidde tot wijdverbreid onderzoek op een nieuw gebied genaamd "magnetische ionen, " en nu heeft deze nieuwste bevinding "dit hele veld op zijn kop gezet."

Eigenlijk, Strand legt uit, hij en zijn team "proberen een magnetische analoog van een transistor te maken, " die herhaaldelijk kan worden in- en uitgeschakeld zonder de fysieke eigenschappen aan te tasten.

Alleen water toevoegen

De ontdekking kwam tot stand, gedeeltelijk, door serendipiteit. Tijdens het experimenteren met gelaagde magnetische materialen op zoek naar manieren om hun magnetische gedrag te veranderen, Tan ontdekte dat de resultaten van zijn experimenten van dag tot dag sterk varieerden om onduidelijke redenen. Eventueel, door alle omstandigheden tijdens de verschillende tests te onderzoeken, hij realiseerde zich dat het belangrijkste verschil de vochtigheid in de lucht was:het experiment werkte beter op vochtige dagen dan op droge. De reden, hij besefte uiteindelijk, was dat watermoleculen uit de lucht werden opgesplitst in zuurstof en waterstof op het geladen oppervlak van het materiaal, en terwijl de zuurstof naar de lucht ontsnapte, de waterstof werd geïoniseerd en drong het magnetische apparaat binnen - en veranderde zijn magnetisme.

Het apparaat dat het team heeft geproduceerd, bestaat uit een sandwich van verschillende dunne lagen, inclusief een laag kobalt waar de magnetische veranderingen plaatsvinden, ingeklemd tussen lagen van een metaal zoals palladium of platina, en met een overlay van gadoliniumoxide, en dan een goudlaag om aan te sluiten op de elektrische stuurspanning.

Het magnetisme wordt geschakeld met slechts een korte toepassing van spanning en blijft dan zitten. Omkeren vereist helemaal geen stroom, gewoon het apparaat kortsluiten om de twee kanten elektrisch te verbinden, terwijl een conventionele geheugenchip constant vermogen nodig heeft om zijn toestand te behouden. "Omdat je gewoon een puls toedient, het stroomverbruik kan flink omlaag gaan, ' zegt strand.

De nieuwe apparaten, met hun lage stroomverbruik en hoge schakelsnelheid, zou uiteindelijk vooral nuttig kunnen zijn voor apparaten zoals mobiel computergebruik, strand zegt, maar het werk bevindt zich nog in een vroeg stadium en zal nog verder ontwikkeld moeten worden.

"Ik kan binnen een paar jaar of minder laboratoriumgebaseerde prototypen zien, "zegt hij. Het maken van een volledige werkgeheugencel is "behoorlijk complex" en kan langer duren, hij zegt.