Wanneer u een afbeelding op uw smartphone opslaat, die gegevens worden geschreven op kleine transistors die elektrisch worden in- of uitgeschakeld in een patroon van "bits" om dat beeld weer te geven en te coderen. De meeste transistors zijn tegenwoordig gemaakt van silicium, een element dat wetenschappers op steeds kleinere schaal hebben weten te veranderen, miljarden bits mogelijk maken, en dus grote bibliotheken met afbeeldingen en andere bestanden, worden verpakt op een enkele geheugenchip.

Maar de groeiende vraag naar data, en de middelen om ze op te slaan, drijft wetenschappers ertoe verder dan silicium te zoeken naar materialen die geheugenapparaten naar hogere dichtheden kunnen duwen, snelheden, en veiligheid.

Nu hebben MIT-natuurkundigen voorlopig bewijs getoond dat gegevens sneller kunnen worden opgeslagen, dichter, en veiligere bits gemaakt van antiferromagneten.

antiferromagnetisch, of AFM-materialen zijn de minder bekende neven van ferromagneten, of conventionele magnetische materialen. Waar de elektronen in ferromagneten synchroon draaien - een eigenschap waarmee een kompasnaald naar het noorden kan wijzen, collectief het magnetisch veld van de aarde volgen - elektronen in een antiferromagneet geven de voorkeur aan de tegenovergestelde spin van hun buurman, in een "anti-uitlijning" die magnetisatie effectief dooft, zelfs op de kleinste schalen.

De afwezigheid van netto magnetisatie in een antiferromagneet maakt het ondoordringbaar voor elk extern magnetisch veld. Als ze werden gemaakt in geheugenapparaten, antiferromagnetische bits kunnen voorkomen dat gecodeerde gegevens magnetisch worden gewist. Ze kunnen ook worden gemaakt in kleinere transistors en in grotere aantallen per chip worden verpakt dan traditioneel silicium.

Nu heeft het MIT-team ontdekt dat door extra elektronen in een antiferromagnetisch materiaal te doteren, ze kunnen hun collectieve anti-uitgelijnde regeling in- en uitschakelen, op een controleerbare manier. Ze ontdekten dat deze magnetische overgang omkeerbaar is, en voldoende scherp, vergelijkbaar met het schakelen van de toestand van een transistor van 0 naar 1. De resultaten, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , demonstreren een potentieel nieuw pad om antiferromagneten als digitale schakelaar te gebruiken.

"Een AFM-geheugen zou het mogelijk maken om de gegevensopslagcapaciteit van huidige apparaten op te schalen - hetzelfde volume, maar meer gegevens " zegt de hoofdauteur van de studie, Riccardo Comin, assistent-professor natuurkunde aan het MIT.

Comin's MIT-co-auteurs zijn onder meer hoofdauteur en afgestudeerde student Jiarui Li, samen met Zhihai Zhu, Genade Zhang, en Da Zhou; evenals Roberg Green van de Universiteit van Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei zon, en Shriram Ramanathan van Purdue University; Ronny Sutarto en Feizhou He van Canadian Light Source; en Jerzy Sadowski bij Brookhaven National Laboratory.

Magnetisch geheugen

Om de gegevensopslag te verbeteren, sommige onderzoekers zijn op zoek naar MRAM, of magneto-resistief RAM, een type geheugensysteem dat gegevens opslaat als bits gemaakt van conventionele magnetische materialen. In principe, een MRAM-apparaat zou een patroon hebben met miljarden magnetische bits. Om gegevens te coderen, de richting van een lokaal magnetisch domein binnen het apparaat wordt omgedraaid, vergelijkbaar met het schakelen van een transistor van 0 naar 1.

MRAM-systemen kunnen mogelijk sneller gegevens lezen en schrijven dan op silicium gebaseerde apparaten en kunnen met minder stroom werken. Maar ze kunnen ook kwetsbaar zijn voor externe magnetische velden.

"Het systeem als geheel volgt een magnetisch veld zoals een zonnebloem de zon volgt, daarom, als u een magnetisch gegevensopslagapparaat neemt en het in een matig magnetisch veld plaatst, informatie wordt volledig gewist, ' zegt Komijn.

Antiferromagneten, in tegenstelling tot, worden niet beïnvloed door externe velden en kunnen daarom een ​​veiliger alternatief zijn voor MRAM-ontwerpen. Een essentiële stap in de richting van encodeerbare AFM-bits is de mogelijkheid om antiferromagnetisme in en uit te schakelen. Onderzoekers hebben verschillende manieren gevonden om dit te bereiken, meestal door elektrische stroom te gebruiken om een ​​materiaal uit zijn ordelijke anti-uitlijning te schakelen, tot een willekeurige wanorde van spins.

"Met deze benaderingen schakelen gaat erg snel, " zegt Li. "Maar het nadeel is, elke keer dat je stroom nodig hebt om te lezen of te schrijven, dat kost veel energie per bewerking. Als dingen heel klein worden, de energie en warmte die wordt gegenereerd door stromende stromen zijn aanzienlijk."

Gedoteerde stoornis

Comin en zijn collega's vroegen zich af of ze antiferromagnetische schakeling op een efficiëntere manier konden bereiken. In hun nieuwe studie ze werken met neodymiumnikkelaat, een antiferromagnetisch oxide gekweekt in het Ramanathan-lab. Dit materiaal vertoont nanodomeinen die bestaan ​​uit nikkelatomen met een tegengestelde spin aan die van zijn buur, en bij elkaar gehouden door zuurstof- en neodymiumatomen. De onderzoekers hadden eerder de fractale eigenschappen van het materiaal in kaart gebracht.

Vanaf dat moment, de onderzoekers hebben gekeken of ze het antiferromagnetisme van het materiaal konden manipuleren via doping - een proces dat opzettelijk onzuiverheden in een materiaal introduceert om de elektronische eigenschappen ervan te veranderen. In hun geval, de onderzoekers doopten neodymium-nikkeloxide door het materiaal van zijn zuurstofatomen te ontdoen.

Wanneer een zuurstofatoom wordt verwijderd, het laat twee elektronen achter, die worden herverdeeld over de andere nikkel- en zuurstofatomen. De onderzoekers vroegen zich af of het weghalen van veel zuurstofatomen zou resulteren in een domino-effect van wanorde dat de ordelijke anti-uitlijning van het materiaal zou uitschakelen.

Om hun theorie te testen, ze groeiden 100 nanometer dunne films van neodymium-nikkeloxide en plaatsten ze in een zuurstofarme kamer, verhitte vervolgens de monsters tot temperaturen van 400 graden Celsius om zuurstof aan te moedigen om uit de films en in de atmosfeer van de kamer te ontsnappen.

Naarmate ze geleidelijk meer zuurstof verwijderden, ze bestudeerden de films met behulp van geavanceerde magnetische röntgenkristallografietechnieken om te bepalen of de magnetische structuur van het materiaal intact was, wat impliceert dat de atomaire spins in hun ordelijke anti-uitlijning bleven, en behield daarom antiferomagnetisme. Als hun gegevens een gebrek aan een geordende magnetische structuur lieten zien, het zou een bewijs zijn dat het antiferromagnetisme van het materiaal was uitgeschakeld, door voldoende doping.

Door hun experimenten, de onderzoekers konden het antiferromagnetisme van het materiaal bij een bepaalde kritische dopingdrempel uitschakelen. Ze kunnen ook antiferromagnetisme herstellen door zuurstof terug in het materiaal toe te voegen.

Nu het team heeft aangetoond dat doping de AFM effectief in- en uitschakelt, wetenschappers kunnen meer praktische manieren gebruiken om vergelijkbare materialen te dopen. Bijvoorbeeld, op silicium gebaseerde transistoren worden geschakeld met behulp van spanningsgeactiveerde "poorten, " waarbij een kleine spanning op een bit wordt toegepast om de elektrische geleidbaarheid te veranderen. Comin zegt dat antiferromagnetische bits ook kunnen worden geschakeld met behulp van geschikte spanningspoorten, die minder energie zou vergen dan andere antiferromagnetische schakeltechnieken.

"Dit zou een kans kunnen bieden om een ​​magnetisch geheugenopslagapparaat te ontwikkelen dat op dezelfde manier werkt als op silicium gebaseerde chips, met als bijkomend voordeel dat u informatie kunt opslaan in AFM-domeinen die zeer robuust zijn en in hoge dichtheden verpakt kunnen worden, "Zegt Comin. "Dat is de sleutel tot het aanpakken van de uitdagingen van een datagestuurde wereld."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.