Magnetische materialen vormen de ruggengraat van moderne digitale informatietechnologieën, zoals opslag op de harde schijf. Een team onder leiding van de Universiteit van Washington is nu nog een stap verder gegaan door informatie te coderen met magneten die slechts enkele lagen atomen dik zijn. Deze doorbraak kan een revolutie teweegbrengen in zowel cloudcomputingtechnologieën als consumentenelektronica door gegevensopslag met een grotere dichtheid en verbeterde energie-efficiëntie mogelijk te maken.

In een studie die op 3 mei online is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , de onderzoekers melden dat ze stapels ultradunne materialen gebruikten om ongekende controle uit te oefenen over de stroom van elektronen op basis van de richting van hun spins - waar de elektron "spins" analoog zijn aan kleine, subatomaire magneten. De materialen die ze gebruikten zijn onder meer platen van chroomtrijodide (CrI3), een materiaal dat in 2017 werd beschreven als de allereerste 2-D magnetische isolator. Vier vellen - elk slechts atomen dik - creëerden het dunste systeem tot nu toe dat elektronen kan blokkeren op basis van hun spins terwijl het meer dan 10 keer sterkere controle uitoefent dan andere methoden.

"Ons werk onthult de mogelijkheid om informatieopslag op basis van magnetische technologieën tot de atomair dunne limiet te duwen, " zei mede-hoofdauteur Tiancheng Song, een UW-promovendus in de natuurkunde.

In gerelateerd onderzoek, gepubliceerd 23 april in Natuur Nanotechnologie , het team vond manieren om de magnetische eigenschappen van deze atomair dunne magneet elektrisch te regelen.

"Met de explosieve groei van informatie, de uitdaging is hoe de dichtheid van gegevensopslag te vergroten en tegelijkertijd de bedrijfsenergie te verminderen, " zei corresponderende auteur Xiaodong Xu, een UW hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en techniek, en facultair onderzoeker bij het UW Clean Energy Institute. "De combinatie van beide werken wijst op de mogelijkheid om atomair dunne magnetische geheugenapparaten te ontwerpen met een energieverbruik dat orden van grootte kleiner is dan wat momenteel haalbaar is."

De nieuwe Wetenschap paper bekijkt ook hoe dit materiaal een nieuw type geheugenopslag mogelijk zou kunnen maken dat gebruikmaakt van de elektronenspins in elk afzonderlijk vel.

De onderzoekers plaatsten twee lagen CrI3 tussen geleidende vellen grafeen. Dat lieten ze zien, afhankelijk van hoe de spins zijn uitgelijnd tussen elk van de CrI3-bladen, de elektronen kunnen ofwel ongehinderd tussen de twee grafeenplaten stromen of werden grotendeels geblokkeerd om te stromen. Deze twee verschillende configuraties kunnen fungeren als de bits - de nullen en enen van binaire code in het dagelijkse computergebruik - om informatie te coderen.

"De functionele eenheden van dit type geheugen zijn magnetische tunnelovergangen, of MTJ, dat zijn magnetische 'poorten' die elektrische stroom kunnen onderdrukken of doorlaten, afhankelijk van hoe de spins in de junctie zijn uitgelijnd, " zei co-hoofdauteur Xinghan Cai, een UW-postdoctoraal onderzoeker natuurkunde. "Zo'n poort staat centraal om dit soort kleinschalige dataopslag te realiseren."

Met maximaal vier lagen CrI3, het team ontdekte het potentieel voor "multi-bit" informatieopslag. In twee lagen CrI3, de spins tussen elke laag zijn ofwel in dezelfde richting of in tegengestelde richtingen uitgelijnd, wat leidt tot twee verschillende snelheden waarmee de elektronen door de magnetische poort kunnen stromen. Maar met drie en vier lagen, er zijn meer combinaties voor spins tussen elke laag, leidend tot meerdere, verschillende snelheden waarmee de elektronen door het magnetische materiaal van de ene grafeenplaat naar de andere kunnen stromen.

"In plaats van dat uw computer slechts twee keuzes heeft om een ​​stuk gegevens in op te slaan, het kan een keuze hebben A, B, C, zelfs D en verder, " zei co-auteur Bevin Huang, een UW-promovendus in de natuurkunde. "Dus niet alleen zouden opslagapparaten die CrI3-knooppunten gebruiken efficiënter zijn, maar ze zouden intrinsiek meer gegevens opslaan."

De materialen en aanpak van de onderzoekers vertegenwoordigen een aanzienlijke verbetering ten opzichte van bestaande technieken onder vergelijkbare bedrijfsomstandigheden met magnesiumoxide, die dikker is, minder effectief in het blokkeren van elektronen en mist de mogelijkheid voor multi-bit informatieopslag.

"Hoewel ons huidige apparaat bescheiden magnetische velden nodig heeft en alleen werkt bij lage temperaturen, onhaalbaar voor gebruik in de huidige technologieën, het apparaatconcept en het werkingsprincipe zijn nieuw en baanbrekend, " zei Xu. "We hopen dat met ontwikkelde elektrische beheersing van magnetisme en wat vindingrijkheid, deze tunnelknooppunten kunnen werken met verminderde of zelfs zonder de noodzaak van een magnetisch veld bij hoge temperatuur, wat een game changer zou kunnen zijn voor nieuwe geheugentechnologie."