z

Bij de afdeling Materialen van de ETH in Zürich, Pietro Gambardella en zijn medewerkers onderzoeken toekomstige geheugenapparaten. Ze moeten snel zijn, gegevens lang betrouwbaar bewaren en bovendien goedkoop zijn. Zogenaamd magnetisch RAM (MRAM) bereikt deze kwadratuur van de cirkel door snel schakelen via elektrische stromen te combineren met duurzame gegevensopslag in magnetische materialen.

Een paar jaar geleden, onderzoekers toonden aan dat een bepaald fysiek effect, het draai-baankoppel, maakt een bijzonder snelle gegevensopslag mogelijk. Nutsvoorzieningen, Gambardella's groep en IMEC in België hebben de exacte dynamiek van zo'n opslaggebeurtenis tijdelijk opgelost - en een paar trucjes gebruikt om het nog sneller te maken.

Magnetiseren met enkele spins

Het magnetisch opslaan van gegevens vereist het omkeren van de magnetisatierichting van een ferromagnetische (dat wil zeggen, permanent magnetisch) materiaal om de informatie weer te geven als een logische waarde, nul of één. Bij oudere technologieën zoals magneetbanden of harde schijven, dit werd bereikt door magnetische velden geproduceerd in stroomvoerende spoelen. Moderne MRAM-technologie, daarentegen, maakt direct gebruik van de spins van elektronen, die als elektrische stroom direct door een magnetische laag stromen. In Gambardella's experimenten, elektronen met tegengestelde spinrichtingen worden ruimtelijk gescheiden door de spin-baaninteractie. Dit, beurtelings, creëert een effectief magnetisch veld, die kan worden gebruikt om de magnetisatierichting van een kleine metalen stip om te keren.

"We weten uit eerdere experimenten waarin we stroboscopisch een enkele magnetische metalen stip met röntgenstralen hebben gescand, dat de magnetisatie-omkering zeer snel gebeurt, in ongeveer een nanoseconde, " zegt Eva Grimaldi, een postdoc in de groep van Gambardella. "Echter, dat waren gemiddelde waarden gemiddeld over veel omkeringsgebeurtenissen. Nutsvoorzieningen, we wilden weten hoe zo'n evenement precies plaatsvindt en laten zien dat het kan werken op een industrie-compatibel magnetisch geheugenapparaat."

Tijdresolutie door een tunnelknooppunt

Om dit te doen, de onderzoekers vervingen de geïsoleerde metalen stip door een magnetische tunneljunctie. Zo'n tunnelovergang bevat twee magnetische lagen die van elkaar worden gescheiden door een isolatielaag van slechts één nanometer dik. Afhankelijk van de spinrichting - langs de magnetisatie van de magnetische lagen, of er tegenover - de elektronen kunnen min of meer gemakkelijk door die isolerende laag tunnelen. Dit resulteert in een elektrische weerstand die afhangt van de uitlijning van de magnetisatie in de ene laag ten opzichte van de andere en dus nul en één vertegenwoordigt. Vanaf de tijdsafhankelijkheid van die weerstand tijdens een omkeringsgebeurtenis, de onderzoekers konden de exacte dynamiek van het proces reconstrueren. Vooral, ze ontdekten dat de omkering van de magnetisatie in twee fasen plaatsvindt:een incubatiefase, waarbij de magnetisatie constant blijft, en de eigenlijke omkeringsfase, die minder dan een nanoseconde duurt.

Kleine schommelingen

"Voor een snel en betrouwbaar geheugenapparaat, het is essentieel dat de tijdsfluctuaties tussen de afzonderlijke omkeringsgebeurtenissen worden geminimaliseerd, " legt Gambardella's promovendus Viola Krizakova uit. Dus op basis van hun gegevens, de wetenschappers ontwikkelden een strategie om die fluctuaties zo klein mogelijk te maken. Daartoe, ze veranderden de stroompulsen die werden gebruikt om de omkering van de magnetisatie te regelen, op een zodanige manier dat er twee extra fysieke verschijnselen werden geïntroduceerd. Het zogenaamde spin-overdrachtskoppel, evenals een korte spanningspuls tijdens de omkeerfase, resulteerde in een vermindering van de totale tijd voor de omkering tot minder dan 0,3 nanoseconde, met temporele fluctuaties van minder dan 0,2 nanoseconde.

Toepassingsklare technologie

"Dit alles bij elkaar opgeteld, we hebben een methode gevonden waarmee gegevens vrijwel foutloos en in minder dan een nanoseconde in magnetische tunnelovergangen kunnen worden opgeslagen, " zegt Gambardella. Bovendien, de samenwerking met het onderzoekscentrum IMEC maakte het mogelijk om de nieuwe technologie rechtstreeks te testen op een industrie-compatibele wafer. Kevin Garello, een voormalig postdoc van Gambardella's lab, produceerde de chips met de tunnelcontacten voor de experimenten bij ETH en optimaliseerde de materialen daarvoor. In principe, de technologie zou daarom, onmiddellijk klaar zijn voor gebruik in een nieuwe generatie MRAM.

Gambardella benadrukt dat MRAM-geheugen bijzonder interessant is omdat, in tegenstelling tot conventionele SRAM of DRAM, het verliest geen informatie wanneer de computer wordt uitgeschakeld; tegelijkertijd, het is net zo snel als die technologieën. Echter, hij geeft toe dat de markt voor MRAM-geheugen momenteel niet zulke hoge schrijfsnelheden eist omdat andere technische knelpunten zoals stroomverliezen door grote schakelstromen de toegangstijden beperken. Ondertussen, hij en zijn collega's plannen al verdere verbeteringen; ze willen de tunnelknooppunten verkleinen en andere materialen gebruiken die stroom efficiënter gebruiken.