Onderzoekers van het MIT hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de beweging van magnetische domeinen te beheersen - de sleuteltechnologie in magnetische geheugensystemen, zoals de harde schijf van een computer. De nieuwe aanpak vereist weinig vermogen om te schrijven en geen vermogen om de opgeslagen informatie te onderhouden, en zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie extreem energiezuinige gegevensopslag.

De nieuwe aanpak regelt magnetisme door een spanning aan te leggen, in plaats van een magnetisch veld. Het kan leiden tot magnetische opslagapparaten waarin gegevens worden geschreven op microscopisch kleine nanodraden of sporen, met magnetische "bits" gegevens die langs hen heen razen als auto's op een racebaan.

De nieuwe bevindingen worden beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie , geschreven door assistent-professor materiaalkunde en techniek Geoffrey Beach en afgestudeerde studenten Uwe Bauer en Satoru Emori.

"Voor honderden jaren, als je een magnetisch materiaal had en je wilde de richting veranderen waarin het materiaal werd gemagnetiseerd, je had nog een magneet nodig, "Beach legt uit. Het werk van zijn team vertegenwoordigt een geheel nieuwe manier om magnetische toestanden te veranderen met slechts een verandering in spanning, zonder magnetisch veld - een proces met veel minder vermogen. Bovendien, zodra de magnetische toestand is geschakeld, het houdt die verandering in, biedt stabiele gegevensopslag die geen stroom nodig heeft, behalve tijdens lezen en schrijven.

De onderzoekers laten zien dat dit effect kan worden gebruikt om nieuwe concepten mogelijk te maken, zoals "racetrack memory, " met magnetische bits die over een magnetische baan razen. Hoewel er laboratoriumdemonstraties van dergelijke apparaten zijn geweest, geen enkele is in de buurt gekomen van de levensvatbaarheid van gegevensopslag:het ontbrekende stuk is een middel geweest om de positie nauwkeurig te regelen en om individuele magnetische bits elektrisch te selecteren die over het magnetische spoor racen.

"Magnetische velden zijn erg moeilijk te lokaliseren, " Beach zegt:als je kleine magnetische stukjes probeert te maken op een nanodraad of spoor, de magnetische velden van de elektromagneten die worden gebruikt om gegevens te lezen en te schrijven, hebben de neiging zich uit te spreiden, waardoor het moeilijk is om interactie met aangrenzende stroken te voorkomen, vooral omdat apparaten steeds kleiner worden.

Maar het nieuwe systeem kan precies individuele magnetische bits selecteren die worden weergegeven door kleine domeinen in een nanodraad. Het MIT-apparaat kan de beweging van magnetische domeinen stoppen die met 20 meter per seconde razen, of ongeveer 45 mph, "op een dubbeltje, ", zegt Beach. Ze kunnen dan op verzoek worden vrijgegeven door simpelweg de aangelegde spanning om te schakelen.

Om deze prestatie te bereiken, het MIT-team bouwde een nieuw type apparaat dat magnetisme regelt op vrijwel dezelfde manier als een transistor een stroom van elektriciteit regelt. Het belangrijkste ingrediënt is een laag ionenrijk materiaal waarin atomen zijn ontdaan van elektronen, ze met een elektrische lading achterlaten. Een spanning die op een kleine elektrode boven deze dunne laag wordt aangelegd, kan die ionen aantrekken of afstoten; de ionen, beurtelings, kan de eigenschappen van een onderliggende magneet wijzigen en de stroom van magnetische domeinen stoppen. Dit zou kunnen leiden tot een nieuwe familie van "magneto-ionische" apparaten, suggereren de onderzoekers.

Het effect hangt af van chemische interacties op de grens tussen dunne lagen magnetisch metaal en vastestofelektrolytmaterialen die aan elkaar zijn gesandwiched, zegt strand. "Dus het is echt de grensvlakchemie die de magnetische eigenschappen bepaalt, " hij zegt.

In praktijk, zo'n systeem zou een draad of strook van ferromagnetisch materiaal gebruiken met een reeks op regelmatige afstand van elkaar geplaatste, kleine elektroden erop. De magnetische bits tussen deze elektroden kunnen dan selectief worden geschreven of gelezen.

Zodra de oriëntatie van het magnetische bit tussen twee elektroden door dit apparaat is ingesteld, "het zal inherent zijn richting en positie behouden, zelfs als er geen macht is, " zegt Strand. Dus, in praktijk, je zou een magnetische bit kunnen instellen, "schakel vervolgens de stroom uit totdat u het terug moet lezen, " hij zegt.

Omdat de magnetische schakeling geen magnetisch veld vereist, "er is bijna geen energieverspilling, " zegt Beach. Bovendien de resulterende pinning van de magnetische bits is extreem sterk, wat resulteert in een stabiel opslagsysteem.

De belangrijkste ingrediënten van het systeem zijn "zeer eenvoudige oxidematerialen, " zegt Bauer. In het bijzonder, deze tests gebruikten gadoliniumoxide, die al wordt gebruikt bij het maken van condensatoren en bij de productie van halfgeleiders.

Dan Allwood, een onderzoeker in materiaalfysica aan de Universiteit van Sheffield die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat het "niet alleen een nieuw technisch pad biedt om dynamische magnetisatieprocessen in nanostructuren met patronen te regelen, maar door dit te doen presenteert het ook nieuwe fysieke processen in hoe spanning magnetisch gedrag meer in het algemeen kan beïnvloeden. Door de gedetailleerde oorsprong van deze effecten te begrijpen, kunnen eenvoudige, apparaten voor informatietechnologie met een laag vermogen."

Naast magnetische opbergsystemen, het MIT-team zegt, deze technologie kan ook worden gebruikt om nieuwe elektronische apparaten te maken op basis van spintronica, waarin informatie wordt gedragen door de spin-oriëntatie van de atomen. "Het opent een heel nieuw domein, " zegt Beach. "Je kunt zowel gegevensopslag als berekeningen doen, mogelijk met een veel lager vermogen."

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.