Hurtig magnetisk skrivning af data

Magnetisk datalagring har længe været anset for at være for langsom til brug i computeres arbejdshukommelser. Forskere ved ETH har nu undersøgt en teknik, hvormed magnetisk dataskrivning kan udføres betydeligt hurtigere og med mindre energi.

I næsten halvfjerds år nu, magnetbånd og harddiske er blevet brugt til datalagring i computere. På trods af mange nye teknologier, der er blevet udviklet i mellemtiden, den kontrollerede magnetisering af et datalagringsmedium forbliver det første valg til arkivering af information på grund af dets levetid og lave pris. Som et middel til at realisere random access memory (RAM'er), imidlertid, som bruges som hovedhukommelse til behandling af data i computere, magnetiske lagringsteknologier blev længe anset for utilstrækkelige. Det skyldes primært dens lave skrivehastighed og relativt høje energiforbrug.

Pietro Gambardella, Professor ved Institut for Materialer ved ETH Zürich, og hans kolleger, sammen med kolleger ved Fysisk Afdeling og ved Paul Scherrer Instituttet (PSI), har nu vist, at ved hjælp af en ny teknik, magnetisk lagring kan stadig opnås meget hurtigt og uden at spilde energi.

Magnetiseringsinversion uden spoler

I traditionelle magnetiske datalagringsteknologier, Der anvendes bånd- eller diskdatabærere belagt med en koboltlegering. En strømførende spole frembringer et magnetfelt, der ændrer magnetiseringsretningen i en lille del af databæreren. Sammenlignet med hastighederne på moderne processorer, denne procedure er meget langsom, og spolernes elektriske modstand fører til energitab. Det ville, derfor, være meget bedre, hvis man kunne ændre magnetiseringsretningen direkte, uden at tage en omvej via magnetspoler.

I 2011 Gambardella og hans kolleger har allerede demonstreret en teknik, der kunne gøre netop det:En elektrisk strøm, der passerede gennem en specialbelagt halvlederfilm, inverterede magnetiseringen i en lille metalprik. Dette er muliggjort af en fysisk effekt kaldet spin-orbit-drejningsmoment. I denne virkning, en strøm, der løber i en leder, fører til en ophobning af elektroner med modsat magnetisk moment (spin) ved kanterne af lederen. Elektronen spinder, på tur, skabe et magnetfelt, der får atomerne i et nærliggende magnetisk materiale til at ændre orienteringen af ​​deres magnetiske momenter. I en ny undersøgelse har forskerne nu undersøgt, hvordan denne proces fungerer i detaljer, og hvor hurtig den er. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi .

Rumlig opløsning med røntgenstråler

I deres eksperiment, forskerne inverterede magnetiseringen af ​​en koboltprik med en diameter på kun 500 nanometer ved hjælp af elektriske strømimpulser, der strømmede gennem en tilstødende platintråd. Under denne proces, de udsatte koboltprikken for stærkt fokuserede røntgenstråler, der blev skabt ved PSI's schweiziske lyskilde. Røntgenstrålerne scannede prikken successivt med en rumlig opløsning på 25 nanometer. Hvor kraftigt prikken absorberede røntgenstrålerne på et bestemt punkt afhang af den lokale magnetiseringsretning.

"På denne måde fik vi et todimensionelt billede af magnetiseringen inde i koboltprikken og kunne se, hvordan den aktuelle puls gradvist ændrede den", forklarer Manuel Baumgartner, hovedforfatter af undersøgelsen og ph.d.-studerende i Gambardellas forskningsgruppe.

Forskerne var således i stand til at observere, at magnetiseringsinversionen skete på mindre end et nanosekund - betydeligt hurtigere end i andre nyligt undersøgte teknikker. "I øvrigt, vi kan nu på basis af de eksperimentelle parametre forudsige, hvornår og hvor magnetiseringsinversionen begynder, og hvor den slutter", tilføjer Gambardella. I andre teknikker drives inversionen også af en elektrisk strøm, men det udløses af termiske udsving i materialet, hvilket forårsager store variationer i tidspunktet for inversionen.

Mulig anvendelse i RAM'er

Forskerne sendte op til en billion inversionsimpulser gennem koboltprikken med en frekvens på 20 MHz uden at observere nogen reduktion i kvaliteten af ​​magnetiseringsinversionen. "Dette giver os håbet om, at vores teknologi skal være velegnet til applikationer i magnetiske RAM'er", siger Gambardellas tidligere postdoc Kevin Garello, også en hovedforfatter af undersøgelsen. Garello arbejder nu på IMEC forskningscenter i Leuven, Belgien, undersøge den kommercielle realisering af teknikken.

I et første skridt, forskerne vil nu gerne optimere deres materialer for at få inversionen til at virke endnu hurtigere og ved mindre strøm. En yderligere mulighed er at forbedre formen af ​​koboltprikkerne. For nu, de er cirkulære, men andre former som ellipser eller diamanter kunne gøre magnetiseringsinversionen endnu mere effektiv, siger forskerne. Magnetiske RAM'er kunne, blandt andet, gøre indlæsningen af ​​operativsystemet ved opstart af en computer forældet – de relevante programmer forbliver i arbejdshukommelsen, selv når strømmen er slukket.