Ultrahurtig magnetisk vending peger vejen mod hurtig, computerhukommelse med lav effekt

Forskere ved UC Berkeley og UC Riverside har udviklet en ny, ultrahurtig metode til elektrisk styring af magnetisme i visse metaller, et gennembrud, der kan føre til stærkt øget ydeevne og mere energieffektive computerhukommelse og behandlingsteknologier.

Gruppens resultater, ledet af Berkeley elektroteknik og datalogi (EECS) professor Jeffrey Bokor, er publiceret i et par artikler i tidsskrifterne Videnskab fremskridt (Bind 3, Nr. 49, 3. november kl. 2017) og Anvendt fysik bogstaver (Bind III, Nr. 4, 24. juli kl. 2017).

Computere bruger forskellige former for hukommelsesteknologier til at gemme data. Langtidshukommelse, typisk en harddisk eller et flashdrev, skal være tæt for at gemme så mange data som muligt. Men den centrale behandlingsenhed (CPU)-hardwaren, der gør computere i stand til at beregne-kræver sin egen hukommelse til korttidsopbevaring af information, mens operationer udføres. Random Access Memory (RAM) er et eksempel på en sådan korttidshukommelse.

At læse og skrive data til RAM skal være ekstremt hurtigt for at kunne følge med CPU'ens beregninger. De fleste nuværende RAM -teknologier er baseret på ladning (elektron) tilbageholdelse, og kan skrives med hastigheder på milliarder bit pr. sekund (eller bits/nanosekund). Ulempen ved disse afgiftsbaserede teknologier er, at de er flygtige, kræver konstant strøm, ellers taber de dataene.

I de seneste år, magnetiske alternativer til RAM, kendt som Magnetic Random Access Memory (MRAM), er nået til markedet. Fordelen ved magneter er, at de bevarer oplysninger, selv når hukommelse og CPU er slukket, giver mulighed for energibesparelser. Men den effektivitet kommer på bekostning af hastigheden. En stor udfordring for MRAM har været at fremskynde skrivningen af ​​en enkelt bit information til mindre end 10 nanosekunder.

"Udviklingen af ​​en ikke-flygtig hukommelse, der er lige så hurtig som opladningsbaserede hukommelser med tilfældig adgang, kan dramatisk forbedre ydeevne og energieffektivitet for computerenheder, "siger Bokor, som også er seniorforsker i Division of Materials Sciences ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Det motiverede os til at lede efter nye måder at kontrollere magnetisme i materialer ved meget højere hastigheder end i dagens MRAM."

"Inspireret af nylige eksperimenter i Holland med ultrahurtig magnetisk omskiftning ved hjælp af korte laserpulser, vi byggede specielle kredsløb for at undersøge, hvordan magnetiske metaller reagerer på elektriske pulser så korte som et par billioner af et sekund, "eller picosekunder, siger medforfatter Yang Yang (MS'13 Ph.D.'17 MSE). "Vi fandt ud af, at i en magnetisk legering, der består af gadolinium og jern, disse hurtige elektriske impulser kan ændre magnetismens retning på mindre end 10 picosekunder. Det er størrelsesordener hurtigere end nogen anden MRAM -teknologi. "

"Den elektriske puls øger midlertidigt energien fra jernatomets elektroner, "siger Richard Wilson, i øjeblikket assisterende professor i maskinteknik ved UC Riverside, der begyndte sit arbejde med dette projekt som postdoktor i EECS i Berkeley. "Denne stigning i energi får magnetismen i jern- og gadoliniumatomer til at udøve drejningsmoment på hinanden, og fører til sidst til en omorientering af metalets magnetiske poler. Det er en helt ny måde at bruge elektriske strømme til at styre magneter. "

Efter deres første demonstration af elektrisk skrift i den specielle gadolinium-jernlegering, forskergruppen søgte måder at udvide deres metode til en bredere klasse af magnetiske materialer. "De særlige magnetiske egenskaber ved gadolinium-jernlegeringen er det, der får dette til at fungere, "siger Charles-Henri Lambert, en Berkeley EECS postdoc. "Derfor, at finde en måde at udvide vores tilgang til hurtig elektrisk skrivning til en bredere klasse af magnetiske materialer var en spændende udfordring. "

At tage fat på den sidste udfordring var genstand for en anden undersøgelse, udgivet i Anvendt fysik bogstaver i juli. "Vi fandt ud af, at når vi stabler et enkelt-element magnetisk metal såsom kobolt oven på gadolinium-jernlegeringen, interaktionen mellem de to lag giver os også mulighed for at manipulere koboltets magnetisme på hidtil usete tidsskalaer, "siger Jon Gorchon, en postdoktoral forskning i Materials Sciences Division ved Lawrence Berkeley Lab og i EECS ved UC Berkeley.

"Sammen, disse to opdagelser giver en vej mod ultrahurtige magnetiske minder, der muliggør en ny generation af højtydende, computere med lav effekt og høj hastighed, ikke-flygtige minder lige på chip, "Siger Bokor.