Overraskende opdagelse i jagten på energieffektiv informationslagring

I dag er næsten al information, der er lagret på harddiske eller cloud-servere, registreret i magnetiske medier, fordi den er ikke-flygtig (dvs. den beholder informationen, når strømmen er slukket) og billig. For bærbare enheder såsom mobiltelefoner og tablets, andre former for ikke-magnetisk hukommelse bruges, fordi teknologien baseret på magnetisme er upraktisk og ikke energieffektiv. I en tid med massedatalagring og bærbare enheder, der indsamler og behandler information, søgningen er på for at finde mindre, hurtigere, billigere og mere energieffektive måder, af både behandling og lagring af stigende mængder data.

I løbet af deres forskning i brugen af ​​magnetiske domænevægge (lokale områder med magnetisk "ladning" normalt drevet af magnetiske felter) for at øge vores kapacitet til informationslagring og logisk behandling, fysikere ved University of Nottingham har opdaget et fænomen, som har gjort det muligt for dem at 'manipulere' strukturen af ​​en magnetisk domænevæg.

Forskningen udført af forskere i Spintronics Group i School of Physics and Astronomy, i samarbejde med York University, er udgivet i open access-tidsskriftet Videnskabelige rapporter ( Videnskabelige rapporter 7, Artikelnummer:7613 (2017) DOI:10.1038/s41598-017-07944-9). Det kunne give en vej til at skabe en ny klasse af højeffektive, ikke-flygtig informationsbehandlings- og lagringsteknologi.

Dr Andrew Rushforth, fra Skolen for Fysik og Astronomi, sagde:"I drevet mod stadig mere miniaturiseret, bærbare enheder, behovet for at gemme og behandle information med lavt strømforbrug er ved at blive et kritisk problem. Koncepter for informationslagring og logisk behandling baseret på magnetiske domænevægge har et stort potentiale for implementering i fremtidige informations- og kommunikationsteknologier."

Magnetiske medier

Den største fordel ved at bruge magnetisme er det faktum, at den magnetiske tilstand forbliver stabil, når strømmen afbrydes fra enheden, muliggør ikke-flygtig lagring af information. Derimod de fleste processorer og RAM-chips (Random Access Memory) gemmer information ved hjælp af elektrisk ladning, som er hurtig, men forsvinder, når enheden slukkes.

Magnetic Random Access Memory (MRAM) er en lovende form for ikke-flygtig RAM baseret på magnetisme, som for nylig har fundet anvendelse på nogle nichemarkeder. I MRAM skrives information ved hjælp af elektrisk strøm, som genererer varme og omstrejfende magnetiske felter.

Til dato er der ingen teknologier, der bruger magnetisme til at behandle information.

Udnyttelse af magnetisme til at behandle og lagre information

En løsning på disse problemer kan ligge i brugen af ​​magnetiske domænevægge. En magnetisk domænevæg dannes i en magnetisk ledning og adskiller områder, hvor magnetiseringen peger i modsatte retninger. Under visse forhold består den af ​​et område, hvor magnetiseringen roterer omkring en central hvirvelkerne, som peger ind eller ud af ledningen.

En analogi ville være den måde, hvorpå vand roterer omkring en hvirvelkerne, når det dræner ned i et stikhul. Rotationsfølelsen af ​​magnetiseringen i hvirvelvæggen - dens chiralitet - kan være med eller mod uret. Der har været forslag om at bruge chiraliteten til både at opbevare og behandle information. Problemet er at finde en måde at manipulere vortex-domænevæggen på.

Tidligere har det vist sig, at chiraliteten kan manipuleres ved at anvende magnetiske felter på komplicerede nanotrådsgeometrier, men brugen af ​​magnetiske felter er spild af energi og begrænser muligheden for at adressere individuelle domænevægge selektivt.

En overraskende opdagelse

Forskerne har opdaget en måde at kontrollere kiraliteten af ​​hvirveldomænevæggen ved hjælp af et elektrisk felt.

Dr. Rushforth sagde:"Vi satte os ikke for at ændre domænevæggenes chiralitet. Vi prøvede faktisk at se, om vi kunne få dem til at flytte sig. Da vi bemærkede, at chiraliteten skiftede, vi var ret overraskede, men vi indså, at det var en interessant og ny effekt, som potentielt kunne have vigtige anvendelser. Vi måtte derefter tilbage til kontoret og udføre mikromagnetiske beregninger for at forstå, hvorfor og hvordan fænomenet opstår."

Holdet brugte belastningen induceret af et elektrisk felt påført et piezoelektrisk materiale (som deformeres mekanisk som reaktion på et elektrisk felt) til at manipulere domænevæggens chiralitet.

Viden er på et tidligt stadie. Indtil nu har det ikke været indlysende, hvordan man kunne kontrollere magnetiske domænevægge reversibelt og forudsigeligt ved hjælp af elektriske felter. Denne forskning hjælper med at løse det problem, men der er stadig praktiske problemer, der skal løses.

Næste trin i arbejdet vil være at undersøge, hvordan chiralitetsskiftet afhænger af materialeegenskaberne og geometrien og dimensionerne af den magnetiske ledning.

University of Nottingham har indgivet en patentansøgning for en hukommelsesenhed baseret på effekten.