Stel je voor dat je in een boterham met pindakaas bijt en een plakje kaas ontdekt tussen het brood en de boter. Op een manier, dit is wat er gebeurde met een team van natuurkundigen aan de Universiteit van Arizona, behalve dat de "kaas" een laag ijzeroxide was, minder dan één atoomlaag dik, en de "sandwich" was een magnetische tunnelverbinding - een kleine, gelaagde structuur van exotische materialen die op een dag de huidige op silicium gebaseerde computertransistors kunnen vervangen en een revolutie teweeg kunnen brengen in computergebruik. IJzeroxide - een materiaal dat verwant is aan wat algemeen bekend staat als roest - vertoont exotische eigenschappen wanneer de dikte die van enkele atomen benadert.

Een team onder leiding van Weigang Wang, professor in de UArizona-afdeling Natuurkunde, suggereren in een nieuwe studie dat de voorheen onbekende laag verantwoordelijk is voor bepaald gedrag van magnetische tunnelovergangen waar natuurkundigen jarenlang mee bezig waren. De vondst, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , opent onverwachte mogelijkheden om de technologie verder te ontwikkelen.

In tegenstelling tot conventionele microtransistoren, magnetische tunnelovergangen gebruiken de elektrische lading van elektronen niet om informatie op te slaan, maar profiteren van een kwantummechanische eigenschap die elektronen hebben, wat 'spin' wordt genoemd. Bekend als spintronica, computertechnologie op basis van magnetische tunnelovergangen bevindt zich nog in de experimentele fase, en toepassingen zijn uiterst beperkt. Bijvoorbeeld, de technologie wordt gebruikt in vliegtuigen en gokautomaten om opgeslagen gegevens te beschermen tegen plotselinge stroomuitval.

Dit is mogelijk omdat magnetische tunneljuncties informatie verwerken en opslaan door de oriëntatie van magneten op nanoschaal te veranderen in plaats van elektronen te verplaatsen zoals gewone transistors.

"Als je de richting van de magnetisatie omdraait, een magnetische tunnelovergang gedraagt ​​zich als een transistor doordat hij ofwel 'aan' of 'uit' is, " zei Meng Xu, een doctoraatsstudent in het lab van Wang en eerste auteur van het papier. "Een van de voordelen is dat als je het in die staat houdt, het kost geen energie om de opgeslagen informatie te onderhouden."

Hoewel krachtige magnetische tunnelknooppunten al zo'n 20 jaar bestaan, wetenschappers zijn verbijsterd over het feit dat wanneer ze het verschil tussen de "aan" en "uit" staat, de waarden waren veel lager dan wat de fysieke eigenschappen van deze schakelaars van nanoformaat zouden voorspellen, het beperken van het potentieel van magnetische tunnelovergangen als de bouwstenen van spintronic computing.

Dat mysterie kan worden verklaard door de dunne laag ijzeroxide die Wang en zijn collega's ontdekten op het grensvlak tussen de twee magnetische lagen in hun magnetische tunnelovergangsmonsters - de "kaasplak" in de sandwich-analogie.

"We denken dat deze laag als een verontreiniging werkt, voorkomen dat ons monster de prestaties bereikt die we willen zien van een magnetische tunneljunctie, ' zei Wang.

Echter, Wang zegt dat de bevindingen een dubbele medaille zijn, want terwijl de onverwachte laag de vooruitzichten voor magnetische tunnelovergangen verkleint door de weerstandsverandering in hun "aan" en "uit" toestand te verlagen, het is goed nieuws omdat het onverwachte kansen opent op een ander gebied van spintronica.

Wang's groep ontdekte dat de laag zich gedraagt ​​als een zogenaamde antiferromagneet toen ze de tunnelovergangen testten bij extreem lage temperaturen onder de negatieve 400 graden Fahrenheit, of negatief 245 graden Celsius.

Antiferromagneten worden intensief onderzocht omdat ze potentieel kunnen worden gemanipuleerd op Terahertz-frequenties, ongeveer 1, 000 keer sneller dan bestaande, op silicium gebaseerde technologie, die doorgaans actief is in de Gigahertz-regio. Tot nu, echter, onderzoekers hebben geworsteld met het vinden van manieren om de veelbelovende apparaten te manipuleren, een cruciale eerste stap in het toepassen van de technologie op gegevensopslag.

"In een paar gevallen onderzoekers slaagden erin om antiferromagnetische materialen geïsoleerd te controleren, "Wang zei, "maar zodra je een antiferromagnetische laag in een magnetische tunneljunctie probeert op te nemen - en dat is wat je moet doen om ze voor spintronica te gebruiken - doodt het de hele zaak."

Hoe dan ook, de laag gerapporteerd in deze studie niet, Wang's team gevonden. Voor de eerste keer, dit kan onderzoekers in staat stellen om de voordelen van antiferromagneten - ongekende lees- en schrijfsnelheid - te combineren met de beheersbaarheid van magnetische tunnelovergangen, zei Wang.

"Met dit onderzoek we hebben voor het eerst aangetoond dat we de antiferromagnetische eigenschap van een magnetische tunnelovergang kunnen veranderen met behulp van een elektrisch veld, wat ons een stap dichter bij het gebruik van antiferromagnetische spintronica voor geheugenopslag brengt, ' zei Wang.

Dit is waarom:terwijl het gebruik van de spins in antiferromagneten om informatie te verwerken de rekensnelheid enorm verhoogt, uiteindelijk moet die informatie weer worden omgezet in een elektrische lading, zei Wang.

"Alle informatie die we coderen in spin, of het nu antiferromagnetisch of magnetisch is, we willen uiteindelijk uitlezen als een elektrisch signaal omdat het elektron echt het beste is dat we hebben en het meest populaire medium om te verwerken, informatie lezen en schrijven, " zei hij. "Die conversie wordt normaal gesproken gedaan door magnetische tunnelovergangen."

Door antiferromagnetische lagen in magnetische tunneljuncties op te nemen, kunnen ingenieurs op een dag computers ontwerpen waarin de verwerking van informatie plaatsvindt op dezelfde plaats als het opslaan van informatie, vergelijkbaar met het menselijk brein.

Spintronic-apparaten bieden nog een voordeel ten opzichte van conventionele transistors, volgens Wang:Ze hebben geen energie nodig om de informatie die in het geheugen is opgeslagen te behouden.

"Met spintronica, je hebt het elektrische veld alleen nodig om de informatie te schrijven, maar als dat eenmaal gedaan is, u kunt het uitschakelen om het energieverbruik te verminderen, " hij zei.

Op silicium gebaseerde transistoren daarentegen, last hebben van een effect dat bekend staat als elektronenlekkage, zei Wang. Omdat fabrikanten steeds meer transistors in kleinere microprocessors proppen, er gaan steeds meer elektronen verloren, waardoor het apparaat extra werk moet doen en extra energie moet verbruiken om dit proces tegen te gaan.

Elektronenlekkage is een van de redenen waarom de wet van Moore - die stelt dat het aantal transistors op een chip elke twee jaar verdubbelt - naar verwachting binnenkort zal eindigen, zei Wang.

Met spintronische apparaten, lekkage is geen probleem; ze kunnen informatie vrijwel onbeperkt opslaan zonder stroom te verbruiken.

"It's the same reason your fridge magnets can stay in place for a really long time, " he said. "Once the quantum mechanical exchange interaction has been made, no energy input is needed to maintain the magnetization direction."