Whirlpools på nanoskalaen kan formere magnetisk hukommelse

Forskning ved Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source lover fire-bit magnetiske celler i stedet for to-bit magnetiske domæner i standard magnetiske minder. Magnetiske hvirvler er hvirvelbade af magnetfelt, hvor elektronspins peger enten med eller mod uret. I det overfyldte centrum af spabadet drejer spinnene enten ned eller op. Disse fire retninger kunne repræsentere separate informationsstykker i en ny slags hukommelse, hvis den styres uafhængigt og samtidigt.

"Vi brugte 15 procent af hjemmets energi på gadgets i 2009, og vi køber flere gadgets hele tiden, "siger Peter Fischer fra US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Fischer lader dig straks vide, at selvom det er videnskabelig nysgerrighed, der inspirerer hans forskning på Labs Advanced Light Source (ALS), han har til hensigt at hjælpe med at løse presserende problemer.

"Det, vi arbejder på nu, kan få disse gadgets til at fungere flere hundrede gange bedre og også være hundrede gange mere energieffektive, "siger Fischer, en personaleforsker i materialevidenskabsafdelingen. Som hovedforsker ved Center for Røntgenoptik, han leder ALS beamline 6.1.2, hvor han har specialiseret sig i studier af magnetisme.

Fischer leverede for nylig kritisk støtte til et team ledet af Vojtĕch Uhlíř fra Brno University of Technology i Tjekkiet og Center for Magnetic Recording Research ved University of California, San Diego. Forskere fra begge institutioner og fra Berkeley Lab brugte de unikke muligheder i beamline 6.1.2 til at fremme et nyt koncept i magnetisk hukommelse.

"Magnetisk hukommelse er kernen i de fleste elektroniske enheder, "siger Fischer, "og fra videnskabsmandens synspunkt, magnetisme handler om at kontrollere elektron -spin. "

Magnetiske erindringer gemmer informationsstykker i diskrete enheder, hvis elektron -spins alle står parallelt, peger på den ene eller den anden måde for at betegne en en eller et nul. Hvad Fischer og hans kolleger foreslår, er multibitlagring, hvor hver enhed har fire tilstande i stedet for to og kan lagre to gange oplysningerne.

Nøglen er magnetiske hvirvler - hvirvelbade af magnetfelt - begrænset til bittesmå metalskiver et par milliarddeler af en meter (nanometer) i diameter. Elektronens spins søger den lavest mulige energi; spins, der peger i modsatte retninger, antiparallel, koste energi. Således stemmer elektronerne op med alle deres spins pegende i en cirkel, enten med eller mod uret omkring disken.

I hvirvelens kerne, imidlertid, hvor cirklerne bliver mindre og mindre, og nabospins uundgåeligt ville justere antiparallel, de har en tendens til at vippe ud af flyet, peger enten op eller ned.

"Så hver disk har fire bits i stedet for to - venstre eller højre cirkularitet og op eller ned af polariteten af ​​kernen - men du skal være i stand til at styre orienteringen af ​​hver uafhængigt, «siger Fischer.

Op, ned, og rundt - tage kontrol

Anvendelse af en stærk, konstant eksternt magnetfelt kan vende kernepolaritet, men praktiske enheder kan ikke tåle stærke felter, og de har brug for hurtigere switches. Tidligere forskere ved ALS havde fundet ud af, at de med svage oscillerende magnetfelter i nanodiskens plan hurtigt kunne skubbe kernen ud af dens centrale position og få det samme resultat.

"I stedet for et statisk felt, du vrikker med det, "Fischer forklarer. Da kernen skubbes væk fra midten af ​​disken, successive magnetiske bølger - ændringer i spin -orientering - bevæger kernen hurtigere og hurtigere, indtil dens polaritet vender til den modsatte retning.

Holdet brugte ALS beamline 6.1.2 til at demonstrere, for første gang, at lignende metoder kan kontrollere cirkulæriteten af ​​de magnetiske hvirvler.

I dette tilfælde, "wiggle" driver kernen lige ud for diskens kant. Når det er udvist, virvelen kollapser og reformerer, med spins, der peger i den modsatte retning:med uret i stedet for mod uret, eller omvendt.

Beamline 6.1.2 har specialiseret sig i blød røntgenoverførselsmikroskopi af magnetiske tilstande, som gjorde det muligt for forskerne at lave direkte billeder af, hvordan styrken og varigheden af ​​togene af elektriske og magnetiske pulser påvirkede hvirvelens cirkularitet. De fandt ud af, at kontrol afhænger af diskens geometri.

Diskene var alle koniske, med diagonale skiver fra deres øverste overflader, der tjente til at accelerere kernen, når det begyndte at bevæge sig. Men tykkelse og diameter var de vigtige faktorer:jo mindre disk, des bedre.

"Tykke" diske (30 nanometer) over tusind nanometer i diameter var trægte, tager mere end tre nanosekunder at skifte cirkularitet. Men diske, der kun er 20 nanometer tykke og 100 nanometer på tværs, kan skifte orientering på mindre end et halvt nanosekund.

Meget mangler at gøre, før multibit med fire værdier bliver praktisk, Polaritet kan kontrolleres, og cirkularitet kan kontrolleres, men indtil videre kan de ikke kontrolleres på samme tid. Planer for at gøre dette er på vej.

"Dette er det videnskabelige grundlag for mulige applikationer, der kan komme, "siger Fischer." Vi kigger allerede på måder at kontrollere spin med temperatur og spænding, om hvordan man fuldstændigt afkobler spin fra ladestrømme, og endda på måder at koble kæder af nanodisk sammen til at bygge logiske enheder - ikke kun til hukommelse, men til beregning. "

Efter Fischers mening, ALS's bløde røntgenmikroskopværktøjer er i polpositionen til løbet inden for magnetismeforskning. "Ingen metode udover røntgenmikroskopi kan give tilsvarende omfattende information, både for at identificere de magnetiske materialer og for at forestille sig den hurtigste dynamik i magnetiske tilstande på nanoskalaen. De instrumenter, vi har, er unikke og tjener hele vortex -fællesskabet, i hele verden."