Onderzoek aan de geavanceerde lichtbron van het Lawrence Berkeley National Laboratory belooft vier-bits magnetische cellen in plaats van de twee-bits magnetische domeinen van standaard magnetische geheugens. Magnetische draaikolken zijn draaikolken van magnetisch veld, waarin elektronenspins met de klok mee of tegen de klok in wijzen. In het drukke midden van de draaikolk wijzen de spins naar beneden of naar boven. Deze vier oriëntaties kunnen afzonderlijke stukjes informatie in een nieuw soort geheugen vertegenwoordigen, indien onafhankelijk en gelijktijdig bestuurd.

"In 2009 hebben we 15 procent van de energie in huis uitgegeven aan gadgets. en we kopen steeds meer gadgets, ", zegt Peter Fischer van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy. Fischer laat je meteen weten dat hoewel het zijn wetenschappelijke nieuwsgierigheid is die zijn onderzoek bij de Advanced Light Source (ALS) van het Lab inspireert, hij is van plan het te helpen bij het oplossen van dringende problemen.

"Waar we nu aan werken, kan ervoor zorgen dat deze gadgets honderden keren beter presteren en ook honderd keer energiezuiniger zijn. " zegt Fischer, een stafwetenschapper in de Materials Sciences Division. Als hoofdonderzoeker bij het Centrum voor X-Ray Optics, hij leidt ALS-bundellijn 6.1.2, waar hij zich specialiseert in onderzoek naar magnetisme.

Fischer heeft onlangs kritische ondersteuning geboden aan een team onder leiding van Vojtĕch Uhlíř van de Brno University of Technology in Tsjechië en het Center for Magnetic Recording Research van de University of California, San Diego. Onderzoekers van beide instellingen en van Berkeley Lab gebruikten de unieke mogelijkheden van beamline 6.1.2 om een ​​nieuw concept in magnetisch geheugen te ontwikkelen.

"Magnetisch geheugen vormt het hart van de meeste elektronische apparaten, " zegt Fischer, "en vanuit het oogpunt van de wetenschapper, magnetisme gaat over het beheersen van elektronenspin."

Magnetische geheugens slaan stukjes informatie op in discrete eenheden waarvan de elektronenspins allemaal parallel staan, een kant op of de andere kant op wijzen om een ​​een of een nul aan te duiden. Wat Fischer en zijn collega's voorstellen, is multibit-opslag waarbij elke eenheid vier toestanden heeft in plaats van twee en twee keer zoveel informatie kan opslaan.

De sleutel is magnetische draaikolken - draaikolken van magnetisch veld - beperkt tot kleine metalen schijfjes met een diameter van enkele miljardsten van een meter (nanometer). De elektronenspins zoeken de laagst mogelijke energie; spins die in tegengestelde richtingen wijzen, antiparallel, energie kosten. Dus de elektronen staan ​​op één lijn met al hun spins wijzend in een cirkel, ofwel met de klok mee of tegen de klok in rond de schijf.

In de kern van de vortex, echter, waar de cirkels steeds kleiner worden en naburige spins onvermijdelijk antiparallel zouden uitlijnen, ze hebben de neiging om uit het vliegtuig te kantelen, naar boven of naar beneden wijzen.

"Dus elke schijf heeft vier bits in plaats van twee - links of rechts cirkelvormig en op of neer polariteit van de kern - maar je moet in staat zijn om de oriëntatie van elk afzonderlijk te regelen, ", zegt Visser.

Omhoog, omlaag, en rond – controle overnemen

Het toepassen van een sterke, stabiel extern magnetisch veld kan de polariteit van de kern omkeren, maar praktische apparaten kunnen geen sterke velden verdragen, en ze hebben snellere schakelaars nodig. Eerdere onderzoekers van de ALS hadden ontdekt dat ze met zwakke oscillerende magnetische velden in het vlak van de nanoschijf de kern snel uit zijn centrale positie konden duwen en hetzelfde resultaat konden krijgen.

"In plaats van een statisch veld, je wiebelt het, " legt Fischer uit. Terwijl de kern van het midden van de schijf wordt weggeduwd, opeenvolgende magnetische golven - veranderingen in spinoriëntatie - bewegen de kern steeds sneller totdat de polariteit in de tegenovergestelde richting verandert.

Het team gebruikte ALS-bundellijn 6.1.2 om aan te tonen, Voor de eerste keer, dat vergelijkbare methoden de circulariteit van de magnetische wervels kunnen beheersen.

In dit geval, de "wiebel" drijft de kern recht van de rand van de schijf af. Zodra het is verdreven, de draaikolk stort in en hervormt, met spins die in de tegenovergestelde richting wijzen:met de klok mee in plaats van tegen de klok in, of vice versa.

Beamline 6.1.2 is gespecialiseerd in zachte röntgentransmissiemicroscopie van magnetische toestanden, waardoor de onderzoekers directe beelden konden maken van hoe de sterkte en duur van de treinen van elektrische en magnetische pulsen de circulariteit van de vortex beïnvloedden. Ze ontdekten dat de controle afhangt van de geometrie van de schijf.

De schijven waren allemaal taps toelopend, met diagonale plakjes van hun bovenoppervlakken die dienden om de kern te versnellen, zodra het begon te bewegen. Maar dikte en diameter waren de belangrijkste factoren:hoe kleiner de schijf, des te beter.

"Dikke" schijven (30 nanometer) met een diameter van meer dan duizend nanometer waren luiaards, meer dan drie nanoseconden nodig hebben om circulariteit om te schakelen. Maar schijven van slechts 20 nanometer dik en 100 nanometer breed zouden in minder dan een halve nanoseconde van richting kunnen veranderen.

Er moet nog veel gebeuren voordat de multibit met vier waarden praktisch wordt, Polariteit kan worden gecontroleerd, en circulariteit kan worden gecontroleerd, maar tot nu toe kunnen ze niet tegelijkertijd worden gecontroleerd. Plannen hiervoor zijn in de maak.

"Dit is de wetenschappelijke basis voor mogelijke toekomstige toepassingen, ", zegt Fischer. "We zijn al aan het kijken naar manieren om spin te regelen met temperatuur en spanning, hoe spin volledig los te koppelen van laadstromen, en zelfs op manieren om ketens van nanoschijven aan elkaar te koppelen om logische apparaten te bouwen - niet alleen voor geheugen, maar voor de berekening."

Volgens Fischer is de zachte röntgenmicroscopen van ALS staan ​​in de poleposition voor de race in magnetisme-onderzoek. "Geen enkele methode behalve röntgenmicroscopie kan soortgelijke uitgebreide informatie verschaffen, zowel om de magnetische materialen te identificeren als om de snelste dynamiek van magnetische toestanden op nanoschaal in beeld te brengen. De instrumenten die we hebben zijn uniek en dienen de hele vortex-gemeenschap, wereldwijd."