Wetenschap
Downscaling van opslagapparaten:magnetisch geheugen gebaseerd op de chiraliteit van spiraalmagneten
Een team van onderzoekers heeft een nieuw concept voorgesteld voor op magneten gebaseerde geheugenapparaten dat een revolutie teweeg zou kunnen brengen in apparaten voor informatieopslag vanwege hun potentieel voor grootschalige integratie, niet-vluchtigheid en hoge duurzaamheid.
Details van hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications op 7 maart 2024.
Spintronische apparaten, vertegenwoordigd door een magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM), gebruiken de magnetisatierichting van ferromagnetische materialen om informatie te onthouden. Vanwege hun niet-vluchtigheid en lage energieverbruik zullen spintronische apparaten waarschijnlijk een cruciale rol spelen in toekomstige componenten voor informatieopslag.
Op ferromagneten gebaseerde spintronica-apparaten hebben echter een potentiële valkuil. Ferromagneten genereren magnetische velden om hen heen, die nabijgelegen ferromagneten beïnvloeden. In een geïntegreerd magnetisch apparaat resulteert dit in overspraak tussen magnetische bits, waardoor de magnetische geheugendichtheid wordt beperkt.
Het onderzoeksteam, bestaande uit Hidetoshi Masuda, Takeshi Seki, Yoshinori Onose en anderen van het Institute for Materials Research van Tohoku University, en Jun-ichiro Ohe van Toho University, heeft aangetoond dat magnetische materialen, spiraalvormige magneten genaamd, kunnen worden gebruikt voor een magnetisch geheugenapparaat, dat zou het magnetische veldprobleem moeten oplossen.
Bij spiraalvormige magneten zijn de richtingen van de atomaire magnetische momenten spiraalvormig gerangschikt. De rechts- of linkshandigheid van de spiraal, chiraliteit genoemd, zou kunnen worden gebruikt om de informatie te onthouden. De magnetische velden die door elk atomair magnetisch moment worden geïnduceerd, heffen elkaar op, zodat de spiraalvormige magneten geen enkel macroscopisch magnetisch veld genereren. "De geheugenapparaten gebaseerd op de handigheid van de helimagneten, vrij van overspraak tussen bits, zouden een nieuw pad kunnen effenen voor het verbeteren van de geheugendichtheid", zegt Masuda.
Het onderzoeksteam heeft aangetoond dat het chiraliteitsgeheugen bij kamertemperatuur kan worden geschreven en uitgelezen. Ze vervaardigden epitaxiale dunne films van een helimagneet MnAu2 op kamertemperatuur en demonstreerde het schakelen van chiraliteit (rechts- en linkshandigheid van de spiraal) door de elektrische stroompulsen onder magnetische velden. Bovendien vervaardigden ze een dubbellaags apparaat bestaande uit MnAu2 en Pt (platina) en toonde aan dat het chiraliteitsgeheugen kan worden uitgelezen als een weerstandsverandering, zelfs zonder magnetische velden.
"We hebben de potentiële mogelijkheden van chiraliteitsgeheugen in spiraalvormige magneten voor geheugenapparaten van de volgende generatie blootgelegd; het kan hoge dichtheid, niet-vluchtige en zeer stabiele geheugenbits bieden", voegt Masuda toe. "Dit zal hopelijk leiden tot toekomstige opslagapparaten met een ultrahoge informatiedichtheid en hoge betrouwbaarheid."