En elektrisk kontakt til magnetisme (m/ video)

Forskere ved MIT har udviklet en ny måde at kontrollere bevægelsen af ​​magnetiske domæner - nøgleteknologien i magnetiske hukommelsessystemer, såsom en computers harddisk. Den nye tilgang kræver lidt kraft til at skrive og ingen kraft til at vedligeholde den lagrede information, og kan føre til en ny generation af datalagring med ekstremt lav effekt.

Den nye tilgang styrer magnetisme ved at påføre en spænding, snarere end et magnetfelt. Det kan føre til magnetiske lagerenheder, hvor data er skrevet på mikroskopiske nanotråde eller spor, med magnetiske "bits" af data, der suser langs dem som biler på en racerbane.

De nye resultater er beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Natur nanoteknologi , skrevet af assisterende professor i materialevidenskab og teknik Geoffrey Beach og kandidatstuderende Uwe Bauer og Satoru Emori.

"I hundreder af år, hvis du havde et magnetisk materiale, og du ønskede at ændre retningen, hvori materialet blev magnetiseret, du havde brug for en anden magnet, Beach forklarer. Hans teams arbejde repræsenterer en helt ny måde at skifte magnetiske tilstande ved blot at ændre spændingen, uden magnetfelt - en proces med meget lavere effekt. Hvad mere er, når den magnetiske tilstand er skiftet, det holder den ændring, giver stabil datalagring, der ikke kræver strøm undtagen under læsning og skrivning.

Forskerne viser, at denne effekt kan bruges til at muliggøre nye koncepter som "racetrack memory, " med magnetiske bits, der suser langs et magnetisk spor. Mens der har været laboratoriedemonstrationer af sådanne enheder, ingen er kommet tæt på levedygtighed for datalagring:Den manglende brik har været et middel til præcist at kontrollere positionen og til elektrisk at vælge individuelle magnetiske bits, der ræser langs den magnetiske bane.

"Magnetiske felter er meget svære at lokalisere, " Beach siger:Hvis du forsøger at skabe små magnetiske bits på en nanotråd eller spor, magnetfelterne fra de elektromagneter, der bruges til at læse og skrive data, har en tendens til at sprede sig, gør det vanskeligt at forhindre interaktion med tilstødende strimler, især når enheder bliver mindre og mindre.

Men det nye system kan præcist vælge individuelle magnetiske bits repræsenteret af bittesmå domæner i en nanotråd. MIT-enheden kan stoppe bevægelsen af ​​magnetiske domæner, der stormer med 20 meter i sekundet, eller omkring 45 mph, "på en skilling, " siger Beach. De kan derefter frigives efter behov blot ved at skifte den påførte spænding.

For at opnå denne bedrift, MIT-holdet byggede en ny type enhed, der styrer magnetisme på nogenlunde samme måde, som en transistor styrer en strøm af elektricitet. Nøgleingrediensen er et lag af ionrigt materiale, hvori atomer er blevet strippet for elektroner, efterlader dem med en elektrisk ladning. En spænding påført en lille elektrode over dette tynde lag kan enten tiltrække eller frastøde disse ioner; ionerne, på tur, kan ændre egenskaberne af en underliggende magnet og standse strømmen af ​​magnetiske domæner. Dette kan føre til en ny familie af "magneto-ioniske" enheder, foreslår forskerne.

Effekten afhænger af kemiske interaktioner ved grænsen mellem tynde lag af magnetisk metal og faststofelektrolytmaterialer, der er klemt sammen, Beach siger. "Så det er virkelig grænsefladekemien, der bestemmer de magnetiske egenskaber, " han siger.

I praksis, et sådant system ville bruge en ledning eller strimmel af ferromagnetisk materiale med en række regelmæssigt anbragte, små elektroder oven på den. De magnetiske bits mellem disse elektroder kan derefter skrives eller læses selektivt.

Når først orienteringen af ​​den magnetiske bit mellem to elektroder er blevet indstillet af denne enhed, "det vil i sagens natur bevare sin retning og position selv i fravær af magt, " siger Beach. Så, i praksis, du kunne indstille en magnetisk bit, "Sluk derefter for strømmen, indtil du skal læse den tilbage, " han siger.

Fordi den magnetiske kobling ikke kræver noget magnetfelt, "der er næsten ingen energitab, " siger Beach. Hvad mere er, den resulterende fastgørelse af de magnetiske bits er ekstremt stærk, resulterer i et stabilt opbevaringssystem.

Nøgleingredienserne i systemet er "meget simple oxidmaterialer, " siger Bauer. Især disse tests brugte gadoliniumoxid, som allerede bruges til fremstilling af kondensatorer og i halvlederfremstilling.

Dan Allwood, en forsker i materialefysik ved University of Sheffield, som ikke var involveret i denne forskning, siger, at det "ikke kun tilbyder en ny teknisk vej til at kontrollere dynamiske magnetiseringsprocesser i mønstrede nanostrukturer, men derved præsenteres også nye fysiske processer i, hvordan spænding kan påvirke magnetisk adfærd mere generelt. At forstå den detaljerede oprindelse af disse effekter kunne tillade skabelsen af ​​enkle, informationsteknologiske enheder med lav effekt."

Ud over magnetiske lagersystemer, MIT-teamet siger, denne teknologi kan også bruges til at skabe nye elektroniske enheder baseret på spintronics, hvor information er båret af atomernes spin-orientering. "Det åbner et helt nyt domæne, Beach siger. "Du kan både lave datalagring og beregning, potentielt ved meget lavere effekt."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.