Nieuwe generatie magnetische gegevensopslagtechnologie

• Onderzoekers ontwierpen magnetische nanostructuren met een onzichtbaarheidsmantel.
• Hoge snelheid van kleine magnetische bitstructuren kan worden bereikt door de sterkte van de onzichtbare mantel zorgvuldig aan te passen.

Voor krachtige solid-state gegevensopslag en logische toepassingen richten onderzoekers zich op spin-gebaseerde apparaten. Een van de veelbelovende benaderingen is om bits te coderen door kleine skyrmions of domeinmuren, die kunnen worden verschoven door stromingen in op racecircuits gebaseerde apparaten.

Voor natuurkundigen is magnetisme voornamelijk gekoppeld aan rotatiebewegingen van elektronen in atomen. De elektronen draaien om de kern en draaien om hun eigen as. Deze beweging produceert een magnetisch moment van het atoom.

Het magnetische strooiveld dat overeenkomt met dit magnetische moment wordt gebruikt om magnetisch opgeslagen gegevens van een apparaat te extraheren/lezen. In bestaande harde schijven reikt de grootte van één magnetische bit tot 15*45 nanometer, ongeveer 1 biljoen daarvan zou op een postzegel kunnen worden geplaatst.

Om bits magnetisch op een vaste plaats in de chip op te slaan en later te extraheren, is het nodig om de magnetische bits via stroompulsen heen en weer in de chip over te brengen. Het probleem is dat magnetische strooivelden voorkomen dat bits kleiner worden gemaakt voor een dichtere pakking van de gegevens. Ook moet het magnetische moment geassocieerd met het strooiveld in staat zijn om de structuren te verplaatsen.

Atoms onzichtbaarheidsmantel

In deze studie plaatsten onderzoekers met succes een 'onzichtbare mantel' op magnetische nanostructuren en analyseerden ze hoe snel en klein deze bits daadwerkelijk kunnen worden. Om dit te doen, hebben ze atomen samengevoegd van verschillende elementen waarvan de elektronen in de tegenovergestelde richting draaien en dus een tegengesteld magnetisch moment hebben.

Dit annuleerde (of verminderde in sommige gevallen) het magnetische strooiveld, maar elk atoom in de nanostructuur draagt ​​nog steeds een magnetisch moment:samen lijken deze atomen verhuld.

Referentie:Natuur Nanotechnologie | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | Max Born Instituut 

Ondanks verhulling hebben onderzoekers de kleine structuren in beeld gebracht door middel van röntgenholografie. Door selectief magnetische momenten van slechts één atoomsoort zichtbaar te maken, legden ze ondanks de onzichtbaarheidsmantel het beeld van de structuur vast.

Ferromagnetische (FM) en AntiFerromagnetische (AFM) volgorde tussen naburige atoommomenten | Met dank aan onderzoekers

Applicaties voor gegevensopslag

Door de kracht van onzichtbaarheidsmantel zorgvuldig te configureren, is het mogelijk om twee doelen tegelijk te bereiken.

De grootte van de cirkelvormige magnetische structuren is erg klein:de kleinste structuur met een straal bleek slechts 5 nanometer te zijn. Als deze structuren in de toekomst zouden kunnen worden toegepast in apparaten voor gegevensopslag, zou hun capaciteit aanzienlijk toenemen.

Uit het verdere onderzoek bleek dat verhulde bits zeer snel kunnen reizen door korte stroompulsen - een van de cruciale parameters voor daadwerkelijk gebruik in geheugenapparaten. Onderzoekers zeiden dat het een snelheid van meer dan 1 km/s bereikte.

Zowel de baan van het elektron om de kern als de spin van het elektron om zijn eigen as dragen verschillend bij aan het magnetische moment:het effect van de eigen spin van het elektron is twee keer zo groot als het effect van de baan van het elektron.

Men kan verschillende soorten atomen combineren met verschillende rotatierichtingen van elektronen om de algehele rotatie op te heffen. Het zogenaamde impulsmoment van het systeem zou constant zijn, terwijl het systeem nog steeds een kleine hoeveelheid magnetisch moment zou behouden.

Lezen:gegevensopslag met de hoogst mogelijke dichtheid van nanomagneten

Omdat het impulsmoment de bewegende magnetische structuren via stroompulsen vertraagt, kan de techniek worden gebruikt om bewegingen met hoge snelheid te bereiken. Daarom, als de sterkte van de onzichtbaarheidsmantel correct is geconfigureerd, kunnen zowel snelle als kleine magnetische bitstructuren worden verkregen - een intrigerend aspect van nieuwe magnetische gegevensopslagconcepten.