Door magnetisme in recordkleine spiralen te draaien, Natuurkundigen van de Universiteit van Nebraska-Lincoln versnellen hun inspanningen om het digitale equivalent van geheugenstrook om te zetten in een geheugenracebaan die energie en ruimte kan besparen in elektronica van de volgende generatie.

Magnetische materialen bevatten atomen die werken als miniatuurversies van een klassieke staafmagneet, met elk een noord- en zuidpool. In de materialen die de sterkste magnetische velden vertonen - de zogenaamde ferromagneten die een koelkast in een fotogalerij veranderen, bijvoorbeeld - de polen van die atomen wijzen allemaal in dezelfde richting.

Maar die ordelijke opstelling kan worden verstoord door een skyrmion (SKUR'-mee-ahn):een reeks atomen waarvan de polen steeds verder weg van de magnetische as kantelen als ze het centrum van het skyrmion naderen, met het atoom in zijn kern wijzend in de tegenovergestelde richting van die as.

Onderzoekers hadden eerder skyrmionen gemaakt met een diameter van ongeveer 50 nanometer - ongeveer 2, 000 keer dunner dan een mensenhaar - in een ferromagnetisch materiaal dat mangaanmonosilicide wordt genoemd. Maar een nieuwe studie onder leiding van David Sellmyer en Balamurugan Balasubramanian uit Nebraska heeft de vorming van skyrmionen van slechts 13 nanometer breed gerapporteerd - wat de kleinst mogelijke grootte in het materiaal lijkt te zijn.

Dat miniaturisatie ertoe doet, Sellmyer zei, als de "interessante magnetische structuren" hun belofte als een volgende generatie vorm van digitaal geheugen moeten waarmaken.

"Een van de grootste beperkingen was de diameter van deze dingen, " zei Sellmyer, George Holmes University Distinguished Professor in natuurkunde en astronomie. "Deze ontdekking is een belangrijke stap in de richting van het gebruik ervan voor toepassingen in de echte wereld."

Digitale gegevensopslag bestaat traditioneel als afzonderlijke batches van negatief en positief gepolariseerde atomen die de enen en nullen vertegenwoordigen, of stukjes, van binaire code. Omdat het creëren en verplaatsen van een skyrmion veel minder energie vereist dan het uitlijnen van die gepolariseerde groepen atomen, onderzoekers zien de magnetische spiraal als een aantrekkelijk alternatief voor digitale opslag. Onder dat scenario, de verschillende magnetische handtekeningen geproduceerd in de aanwezigheid en afwezigheid van skyrmionen zouden de binaire bits van gegevens vertegenwoordigen.

"In de afgelopen decennia is de dichtheid van gegevensopslag is door het dak gegaan, " zei Sellmyer, die het Nebraska Center for Materials and Nanoscience leidt. "Plaatsen in het hele land bouwen deze cloudopslagsites. De hoeveelheid informatie die wordt opgeslagen - en het stroomverbruik van deze datacenters - wordt zo hoog dat je je bijna een elektriciteitscentrale ernaast moet voorstellen. Dus we hebben snellere en veel energiezuinigere gegevensopslag nodig."

Voordat dat kan gebeuren, Sellmyer zei, onderzoekers moeten skyrmions verkleinen tot een schaal die op zijn minst de bestaande digitale geheugenformaten evenaart. Hoewel 13 nanometer veel klein is, het team slaagde erin om zo'n kleine skyrmion alleen bij extreem lage temperaturen te creëren - min-382 graden Fahrenheit is de hoogste. Het vinden van een methode of materiaal dat minuscule skyrmionen bij kamertemperatuur kan ondersteunen, blijft een belangrijk doel, hij zei.

Het bereiken van deze prestatie zou onderzoekers ook in staat stellen te experimenteren met geheugenracetracks:nanoscopische strepen die de magnetische vortexen van de ene groep atomen naar de andere kunnen transporteren wanneer ze worden voortgestuwd door een elektrische stroom. Door die bits naar een datalezer/schrijver te brengen in plaats van andersom, Racetrack-ontwerpen kunnen de verwerkingssnelheid verhogen en de levensduur van harde schijven verlengen.

"Een (conventionele) harde schijf heeft een schijf die ronddraait met veel bewegende delen, en er zijn crashes, Sellmyer zei. "Dit nieuwe soort op racecircuits gebaseerde technologie zal een grote verbetering zijn omdat componenten niet zullen verslijten, en je verbruikt minder stroom.

"Er moet veel werk worden verzet om te zien of men zou kunnen maken, bijvoorbeeld, een 20 nanometer brede streep en verplaats de skyrmionen er langs. Maar dat is het overkoepelende doel van dit werk."

Het team heeft zijn bevindingen gedetailleerd beschreven in het tijdschrift nanoschaal , die het onderzoek op de achterkant benadrukte.