Data-opslag Gerevolutioneerd: Next-Generation Magnetische Nanostructuren Met Onzichtbaarheidsmantels

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

Voor hoogwaardige solid-state data-opslag en logica-toepassingen richten onderzoekers zich op spin-gebaseerde apparaten. Een van de veelbelovende benaderingen is om bits te coderen door kleine skyrmionen of domeinwanden, die verschoven kunnen worden door stromingen in race track-gebaseerde apparaten.

Voor fysici is magnetisme primair gekoppeld aan rotatieve bewegingen van elektronen in atomen. De elektronen banen om de kern en draaien om hun eigen as. Deze beweging produceert een magnetisch moment van het atoom.

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

Om bits magnetisch op een vaste locatie in de chip op te slaan en ze later te extraheren, is het noodzakelijk om de magnetische bits heen en weer in de chip te verplaatsen door stroompulsen. Het probleem is dat het magnetische afvallend veld bits verhindert om kleiner gemaakt te worden voor dichtere datapakking. Ook moet het magnetische moment geassocieerd met het afvallend veld in staat zijn de structuren te verplaatsen.

Atomen Onzichtbaarheidsmantel

In deze studie plaatsten onderzoekers succesvol een 'onzichtbare mantel' op magnetische nanostructuren en analyseerden hoe snel en klein deze bits eigenlijk kunnen worden. Om dit te doen, fuseerden ze atomen van verschillende elementen die elektronen hebben die in de tegenovergestelde richting draaien en dus tegenovergestelde magnetische momenten hebben.

Dit annuleerde (of in sommige gevallen verlaagde) het magnetische afvallend veld, echter, elk atoom in de nanostructuur draagt nog steeds een magnetisch moment: samen lijken deze atomen gemaskerd.

Referentie: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | Max Born Institute

Ondanks de masking, beeldden onderzoekers de kleine structuren door X-stralen holografie. Door selectief de magnetische momenten van slechts één atoomspecie zichtbaar te maken, registreerden ze de afbeelding van de structuur ondanks de onzichtbaarheidsmantel.

Ferromagnetische (FM) en Antiferromagnetische (AFM) orde tussen buren atoom momenten | Met dank aan onderzoekers

Data-opslag Toepassingen

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

De grootte van de circulaire magnetische structuren is erg klein: de straal van de kleinste structuur bleek slechts 5 nanometer te zijn. In de toekomst, als deze structuren geadopteerd kunnen worden in data-opslagapparaten, zou hun capaciteit significant toenemen.

Verder onderzoek onthulde dat gemaskerde bits heel snel kunnen reizen door korte stroompulsen – een van de cruciale parameters voor daadwerkelijk gebruik in geheugenapparaten. Onderzoekers vermeldden dat het een snelheid van meer dan 1 km/s bereikte.

Zowel de elektronenbaan om de kern als de elektrondraai om zijn eigen as dragen verschillend bij aan het magnetische moment: het effect van de elektronen eigen draai is twee keer zo groot als het effect van de elektronenbaan.

Men kan verschillende typen atomen combineren met verschillende rotatierichtingen van elektronen om de algehele rotatie te annuleren. De zogenoemde hoeveelheid beweeglijkheid van het systeem zou constant blijven, terwijl het systeem nog steeds een kleine hoeveelheid magnetisch moment zou behouden.

Lees ook: Data-opslag Met Hoogst Mogelijke Dichtheid Van Nanomagneten

Omdat de hoeveelheid beweeglijkheid de bewegende magnetische structuren via stroompulsen vertraagt, kan de techniek gebruikt worden om hoge-snelheidsbewegingen te bereiken. Daarom, als de kracht van de onzichtbaarheidsmantel correct geconfigureerd is, kunnen zowel hoge-snelheid als kleine magnetische bitstructuren verkregen worden – een intrigerend aspect van nieuwe magnetische data-opslagconcepten.