Of het nu de grootouders een paar foto's van de kinderen stuurt, een film of muziek streamen, of urenlang op internet surfen, de hoeveelheid data die onze samenleving genereert neemt voortdurend toe. Maar dit heeft een prijs, omdat het opslaan van gegevens enorme hoeveelheden energie kost. Ervan uitgaande dat de datavolumes in de toekomst blijven groeien, het daarmee samenhangende energieverbruik zal ook met enkele ordes van grootte toenemen. Bijvoorbeeld, er wordt voorspeld dat het energieverbruik in de IT-sector zal stijgen tot tien petawattuur, of tien biljoen kilowattuur, tegen 2030. Dit komt overeen met ongeveer de helft van de wereldwijd geproduceerde elektriciteit.

Maar wat kan er worden gedaan om de hoeveelheid stroom die servers nodig hebben om te functioneren te verminderen? Gegevens worden meestal opgeslagen in een opslaglaag met behulp van magnetisatie. Om de gegevens te schrijven of te wissen, elektrische stromen worden door ferromagnetische meerlaagse structuren geleid, waar de stromende elektronen een effectief magnetisch veld opwekken. De magnetisatie in de opslaglaag 'voelt' dit magnetische veld en verandert dienovereenkomstig van richting. Echter, elk elektron kan maar één keer worden gebruikt. Een belangrijke stap voorwaarts in energie-efficiënte dataopslag is de constructie van een ferromagnetische opslaglaag die een zwaar metaal zoals platina bevat. Terwijl de stroom door het zware metaal vloeit, de elektronen schakelen heen en weer tussen het zware metaal en de ferromagnetische laag. Het grote voordeel van deze techniek is dat de elektronen meerdere keren kunnen worden hergebruikt, en de stroom die nodig is om de gegevens te schrijven, neemt met een factor tot duizend af.

Verdubbeling van de efficiëntie van het opslagproces

Een team van onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) heeft in samenwerking met onderzoekers van Forschungszentrum Jülich nu een manier gevonden om de efficiëntie van dit opslagproces opnieuw te verdubbelen. "In plaats van eenvoudig silicium als substraat te gebruiken, zoals gebruikelijk is, we gebruiken een piëzo-elektrisch kristal, ", legt JGU-wetenschapper Mariia Filianina uit. "Hieraan hechten we de zware metalen laag en de ferromagnetische laag." Als dan een elektrisch veld wordt aangelegd op het piëzo-elektrische kristal, het genereert mechanische spanning in het kristal. Dit verhoogt op zijn beurt de efficiëntie van de magnetische schakeling van de opslaglaag, dat is het element dat zorgt voor gegevensopslag.

De mate van efficiëntieverbetering wordt bepaald door het systeem en de sterkte van het elektrische veld. "We kunnen de verandering in efficiëntie direct meten en bijgevolg de juiste veldsterkte aanpassen - eigenlijk on-the-fly, " zei Filianina. Met andere woorden, het is mogelijk om de efficiëntie van het magnetische schakelproces direct te regelen door middel van het aanpassen van de sterkte van het elektrische veld waaraan het piëzo-elektrische kristal wordt blootgesteld.

Dit gaat niet alleen gepaard met een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik, maar maakt ook het gebruik van complexe architecturen voor informatieopslag mogelijk. De onderzoekers stellen voor dat als het elektrische veld alleen wordt toegepast op een klein gebied van het piëzo-elektrische kristal, het schakelrendement wordt alleen op die locatie verhoogd. Als ze nu het systeem zo aanpassen dat de spinkoppels van de elektronen alleen kunnen worden geschakeld als de spanning in het piëzo-elektrische kristal wordt versterkt, ze kunnen de magnetisatie lokaal veranderen.

"Met deze methode we kunnen eenvoudig multilevel-geheugens en complexe serverarchitecturen realiseren, " verklaarde Filianina, een promovendus aan de Materials Science in Mainz Graduate School of Excellence en het Max Planck Graduate Center.

"Ik ben blij dat de samenwerking met onze collega's bij Jülich zo goed werkt. Zonder de hulp van hun theoretische analyse zouden we onze waarnemingen niet kunnen verklaren. Ik kijk ernaar uit om met hen te blijven werken in verband met de recente gezamenlijke -verkregen ERC Synergy Grant, " benadrukte professor Mathias Kläui, die het experimentele werk coördineerde.