Racetrack-geheugen is een potentiële oplossing van de volgende generatie voor onze digitale opslagapparaten. Echter, huidige experimenten met enkellaagse ferromagnetische nanodraden zijn minder efficiënt dan verwacht. Nieuw onderzoek gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten laat zien dat het vervangen ervan door een dubbellaagse synthetische ferrimagnet-nanodraad de elektrische stroombehoefte met een factor tien vermindert, en stroomverbruik met een factor honderd.

Racen over het circuit

Bij het kopen van een nieuwe computer, moeten we een keuze maken tussen een goedkope conventionele harde schijf, en een solid-state opslagapparaat. Conventionele harde schijven hebben bewegende delen, die kan mislukken, en het kost veel kracht om de schijven draaiende te houden. Solid state-apparaten zijn sneller, en minder vatbaar voor mislukking, maar ze zijn aanzienlijk duurder. Onderzoek onlangs gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten brengt ons dichter bij een derde optie:een nieuwe stijl van een apparaat dat het potentieel heeft om 100 keer goedkoper te zijn dan de huidige technologieën.

Racetrack-geheugen is een experimentele vorm van opslag die gegevens opslaat als een reeks magnetische domeinen in een nanodraad, het gebruik van elektrische stromen om de domeinen langs een lees-/schrijfelement te 'duwen'. Racetrack-geheugen zou een hogere opslagdichtheid hebben dan vergelijkbare solid-state apparaten, gecombineerd met snellere lees-/schrijfprestaties en een lager energieverbruik.

In experimentele apparaten die een enkele ferromagnetische nanodraad gebruiken, prestatie is beïnvloed door onvolkomenheden in de draad, die het moeilijker maken om de magnetische domeinen te verplaatsen, en vereist hogere elektrische stromen.

Synthetische ferrimagnet-nanodraden versnellen dingen

Christoffel Merels, Professor in de fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Leeds, leidde een internationale samenwerking van onderzoekers die de hypothese onderzochten dat de prestaties konden worden verbeterd door een tweelaagse nanodraad te gebruiken, met tegengestelde magnetische domeinen in elke laag om een ​​synthetische ferrimagneet te vormen. Deze benadering zou de domeinmuurstructuren vereenvoudigen.

Omdat ze moesten bepalen wat er in beide draadlagen gebeurde, de onderzoekers gebruikten een combinatie van beeldvormende benaderingen. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), uitgevoerd aan de Universiteit van Glasgow, liet zien wat er gebeurde in de gecombineerde lagen. Op Diamond's Nanoscience-bundellijn (I06), gebruikten de onderzoekers XMCD-PEEM (X-ray Magnetic Circular Dichroism, Röntgenfoto-elektronenemissiemicroscopie), een techniek die zeer oppervlaktegevoelig is en dus in de toplaag van de nanodraad kijkt. Door de twee reeksen resultaten te combineren, de gebeurtenissen die zich in beide lagen voordoen, kunnen bekend zijn.

De resultaten toonden aan dat de synthetische ferrimagneet inderdaad domeinwanden laat bewegen met een lagere stroomsterkte, met een factor 10. Dit komt overeen met een 100-voudige vermindering van het benodigde vermogen. Theoretische modellering (uitgevoerd in het RIKEN Center for Emergent Matter Science) verklaart het effect, waaruit blijkt dat de eenvoudigere domeinmuren niet de enige factor zijn; de manier waarop de lagen op elkaar inwerken, maakt het ook gemakkelijker om de gegevens te verplaatsen.

Is de finish in zicht?

Om het volledige potentieel van het circuitgeheugen te realiseren, het moet verder gaan dan 2D (een platte draad op een plat oppervlak), tot 3D-geheugentorens, op dat moment zullen de volledige voordelen van opslagdichtheid/kostenreductie een rol gaan spelen. Om het tot een mogelijkheid te maken is een andere doorbraak nodig. Ondertussen, Prof Marrows heeft zijn aandacht gericht op skyrmions, die hij beschrijft als domeinmuren gewikkeld in cirkelvormige objecten. "Als je domeinmuren ziet als kralen die op een telraam bewegen, " hij zegt, "Dan zijn skyrmionen deeltjes op een oppervlak - ze kunnen in 2D bewegen. Ze kunnen ook worden gebruikt om het circuitgeheugen te bouwen waarop onze toekomstige apparaten zullen vertrouwen."

"Wat bijzonder spannend is aan dit onderzoeksgebied, " Prof Marrows vervolgt, "is dat we esoterische kwantumfysica-concepten bestuderen die verrassend dicht bij echte toepassingen liggen."