Om data veel energiezuiniger op te slaan, zetten wetenschappers hun geld op het omklappen van bits door middel van extreem korte elektromagnetische pulsen. Nijmeegse onderzoekers boeken hierin nu een doorbraak.
Wetenschappers van de Radboud Universiteit in Nijmegen slaagden erin om een bit in een magnetisch materiaal in slechts enkele picoseconden (10-12 seconden) te laten omklappen. Dit gebeurde onder invloed van een zeer sterk elektrisch veld, gecreëerd tussen de twee armen van een kleine antenne van goud.
De details van het werk staan beschreven in een artikel dat gisteren verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. De Nijmegenaren werkten samen met wetenschappers in Duitsland, Rusland, de Verenigde Staten en Engeland.
Hoewel het onderzoek nog fundamenteel van aard is, zou hiermee dataopslag op termijn zo’n duizendmaal sneller kunnen worden, terwijl tegelijk het energieverbruik laag is. ‘Dit is tot nu toe een puur fundamenteel resultaat, maar het brengt nieuwe mogelijkheden in magnetische technologie, waarvan we dachten dat ze onmogelijk waren, zoals computers die tegelijk supersnel en koud zijn’, zegt Alexey Kimel, hoogleraar ultrafast spectroscopy of correlated materials aan de Radboud Universiteit, in een persbericht.
Meer data
meest gebruikte opslagmedium in datacenters.
Foto William Warby / CC BY 2.0
Met ons immer stijgende internetgebruik willen we steeds meer data opslaan. Vaak is dat in the cloud en de datacenters schieten dan ook als paddenstoelen uit de grond. Dit zorgt voor een steeds hoger energieverbruik, met de bijbehorende warmteontwikkeling. Dat valt niet te rijmen met de pogingen om onze energie-footprint terug te brengen.
Er is dus behoefte aan een nieuwe, betrouwbare manier om grote hoeveelheden data op te slaan die minder energie kost. Daarom werken wetenschappers al jaren onder meer aan geheugens van magnetische materialen, die met licht (oftewel elektromagnetische golven) te beschrijven zijn.
Spin omklappen
Het idee hierbij is dat een bit bestaat uit een nanometers groot domeintje in een magnetisch materiaal, waarvan de spin (de quantummechanische eigenschap die op de macroschaal zorgt voor magnetisme) een bepaalde richting heeft. Deze richting is met behulp van een extern elektrisch veld – van laserlicht of een andere vorm van elektromagnetische straling – om te klappen. Zo is een 1 te veranderen in een 0 en vice versa. Het materiaal warmt nauwelijks op en het schrijven met deze techniek kost veel minder energie dan met bestaande technieken.
In Nijmegen werkt Kimel al jaren aan de technologie om bits om te klappen met laserpulsen. In 2012 boekte zijn groep een doorbraak, maar toen werkte dat principe nog met het opwarmen van het magnetische domein. En in 2017 lukte het de Nijmeegse natuurkundige zonder die warmteontwikkeling, maar was het gebruikte materiaal nog behoorlijk exotisch. Dat maakte toepassing lastig.
Voorspelbaar
op een substraat van thulium-orthoferriet. Van
rechts komt een elektromagnetische puls,
weergegeven in rood.
Bron: Schlauderer et al., Nature, 2019.
Nu is de groep van Kimel, samen met internationale collega’s, een stap verder. Zij hebben de omstandigheden geschapen waarbij de spin van een magnetisch materiaal goed en voorspelbaar is om te klappen.
Het materiaal dat hiervoor het meest geschikt lijkt, is thulium-orthoferriet. Dat klinkt nogal exotisch, maar volgens Kimel valt dat mee. ‘Het is een vorm van ijzeroxide die redelijk makkelijk is te produceren. Ook is het een materiaal waarvan we de natuurkundige eigenschappen goed kennen en waarbij de barrière tussen de twee magnetische toestanden niet zo hoog is.’ Daardoor is een ultrakort zetje met een elektromagnetische puls voldoende om de spin de andere kant op te duwen.
Vlinderstrikje
De antenne van goud heeft een bijzondere vorm: die van een vlinderstrikje. Die opvallende vorm dient om de elektromagnetische straling te bundelen, zodat de intensiteit van het elektrische veld toeneemt. De elektromagnetische puls (het rode onderdeel in bovenstaande figuur) gaat tussen de twee armen van de antenne door, die op een afstand van 3,5 micrometer uit elkaar staan.
Waar Kimel en collega’s voorheen nog een laser met zichtbaar licht gebruikten, zijn ze nu overgestapt op terahertzstraling. Kimel: ‘Wij hebben ons gerealiseerd dat wij voor de allerzuinigste dataopslag terahertzstraling moeten gebruiken.’
Terra incognita
Hoewel dit een goede stap voorwaarts is, tempert Kimel nog de verwachtingen. ‘Deze techniek is voor ons echt nog een natuurkundig terra incognita, maar het zou de oplossing moeten kunnen bieden voor het probleem dat onze huidige manier van dataopslag steeds meer energie kost’, aldus Kimel.
Openingsbeeld: met ultrakorte lichtpulsen is het mogelijk om magnetische spins binnen enkele picoseconden om te polen van de ene positie (rode pijl) naar de andere (witte pijl). Daarmee wordt snelle en energiezuinige dataopslag mogelijk. Illustratie: Brad Baxley (parttowhole.com).
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.