Computers en smartphones hebben verschillende soorten geheugen, die variëren in snelheid en energie-efficiëntie, afhankelijk van waar ze in het systeem worden gebruikt. Meestal zullen grotere computers, vooral die in datacenters, veel magnetische harde schijven gebruiken, wat nu minder gebruikelijk is in consumentensystemen. De magnetische technologie waarop deze zijn gebaseerd, biedt een zeer hoge capaciteit, maar mist de snelheid van solid-state systeemgeheugen. Apparaten die zijn gebaseerd op opkomende spintronische technologie kunnen die kloof mogelijk overbruggen en zelfs de theoretische prestaties van klassieke elektronische apparaten radicaal verbeteren.

Professor Satoru Nakatsuji en Project Associate Professor Tomoya Higo van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Tokyo verkennen samen met hun team de wereld van spintronica en andere verwante gebieden van de vastestoffysica - in het algemeen de fysica van dingen die functioneren zonder te bewegen . In de loop der jaren hebben ze speciale soorten magnetische materialen bestudeerd, waarvan sommige zeer ongebruikelijke eigenschappen hebben. U zult bekend zijn met ferromagneten, aangezien dit de soorten zijn die in veel alledaagse toepassingen voorkomen, zoals harde schijven van computers en elektromotoren - u hebt er waarschijnlijk zelfs een aantal op uw koelkast geplakt. Van groter belang voor het team zijn echter meer obscure magnetische materialen die antiferromagneten worden genoemd.

"Net als ferromagneten komen de magnetische eigenschappen van antiferromagneten voort uit het collectieve gedrag van hun samenstellende deeltjes, in het bijzonder de spins van hun elektronen, iets dat analoog is aan impulsmoment," zei Nakatsuji. "Beide materialen kunnen worden gebruikt om informatie te coderen door gelokaliseerde groepen samenstellende deeltjes te veranderen. Antiferromagneten hebben echter een duidelijk voordeel in de hoge snelheid waarmee deze veranderingen in de informatie-opslaande spintoestanden kunnen worden gemaakt, ten koste van een verhoogde complexiteit. "

"Sommige spintronische geheugenapparaten bestaan ​​al. MRAM (magnetoresistief random access memory) is gecommercialiseerd en kan in sommige situaties elektronisch geheugen vervangen, maar het is gebaseerd op ferromagnetische schakeling", zegt Higo. "Na veel vallen en opstaan, geloof ik dat we de eersten zijn die de succesvolle omschakeling van spintoestanden in antiferromagnetisch materiaal Mn₃ melden. Sn door dezelfde methode te gebruiken als die wordt gebruikt voor ferromagneten in het MRAM, wat betekent dat we de antiferromagnetische substantie hebben overgehaald om als een eenvoudig geheugenapparaat te fungeren."

Deze manier van schakelen wordt spin-orbit torque (SOT)-omschakeling genoemd en is reden voor opwinding in de technologiesector. Het gebruikt een fractie van de kracht om de toestand van een bit (1 of 0) in het geheugen te veranderen, en hoewel de experimenten van de onderzoekers inhielden dat hun Mn₃ Sn sample in slechts een paar milliseconden (duizendste van een seconde), ze zijn ervan overtuigd dat SOT-omschakeling zou kunnen plaatsvinden op de picoseconde (biljoenste van een seconde) schaal, wat ordes van grootte sneller zou zijn dan de schakelsnelheid van de huidige toestand- geavanceerde elektronische computerchips.

"We hebben dit bereikt dankzij het unieke materiaal Mn₃ Sn," zei Nakatsuji. "Het bleek veel gemakkelijker om op deze manier te werken dan andere antiferromagnetische materialen."

"Er is geen regelboek over hoe dit materiaal te fabriceren. We streven naar een zuiver, plat kristalrooster van Mn₃ Sn uit mangaan en tin met behulp van een proces dat moleculaire bundelepitaxie wordt genoemd," zei Higo. "Er zijn veel parameters voor dit proces die moeten worden verfijnd, en we verfijnen het proces nog steeds om te zien hoe het kan worden opgeschaald als het om ooit een industriële methode te worden."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Elektrische manipulatie van magnetische deeltjes zorgt voor groot snel geheugen