ENGINEERINGNET.NL - Betrouwbare, goedkope en snelle dataopslag is voor de economie van de eenentwintigste eeuw wat olie was voor de vorige.
Magnetische opslag doet het wat dat betreft uitstekend, alleen zorgt de snel toenemende vraag naar opslagcapaciteit in de cloud – al ons Facebook- en Whatsappverkeer bijvoorbeeld - ervoor dat datacenters oververhit raken en er veel energie nodig is om hun processoren te koelen.
De nieuwste methode om data op te slaan, de Heat Assisted Magnetic Recording of HAMR, zal dat probleem niet oplossen. Deze techniek gebruikt juist extra warmte door verwarming met een laser en een magnetische veld van een elektromagneet.
Supersnelle magnetische opslag zonder hitte te produceren en zonder elektromagneten te gebruiken, is dan ook een grote uitdaging voor fundamenteel en toepast magnetismeonderzoek. Al meer dan tien jaar zoeken Radboud-onderzoekers naar manieren om licht te gebruiken om magnetisatie te beïnvloeden, wat professor Theo Rasing en zijn collega’s in 2007 voor het eerst lukte.
Aanvankelijk gebruikten ze de warmte van een laserpuls voor het omzetten van de magnetisatierichting (een bit van een 0 in een 1 veranderen). Probleem daarbij was dat de temperatuur zo hoog werd dat die dicht bij de zogenaamde Curie-temperatuur kwam. Boven deze temperatuur verdwijnt de magnetische ordening van een materiaal en verdwijnen daarmee dus ook de opgeslagen data.
De volgende stap in de zoektocht werd dan ook die naar een materiaal waarin licht de magnetisatie kon veranderen zonder hitteproductie – een idee dat aanvankelijk nauwelijks te financieren was omdat het plan te exotisch leek.
Alexey Kimel, natuurkundige aan de Radboud Universiteit: ‘We zochten een materiaal dat weinig licht absorbeert. We zijn begonnen met experimenten in granaat: yttrium-ijzergranaat wordt al veel gebruikt in magneetonderzoek. Maar het bleek ongeschikt voor dataopslag met licht – het effect van licht was te klein. Daarom hebben we de gevoeligheid vergroot door kobalt-ionen aan het kristal toe te voegen.’
Door de toevoegingen konden magnetische spins razendsnel worden omgepoold, zonder dat er warmte vrij kwam. Kobaltionen hebben een sterke spin-orbit-interactie. Dat is de koppeling van het magnetisch moment aan de rondgaande beweging van de elektronen. Licht kan deze rondgaande beweging verstoren en daarmee de magnetisatie beïnvloeden.
Het effect is zo sterk dat de onderzoekers met een enkele laserpuls van 40 femtoseconden (1 femtoseconde is gelijk aan 10-15 seconde of een miljoenste van een biljardste van een seconde) de magnetische spins konden ompolen: de onderzoekers konden gecontroleerd nullen en enen schrijven op de granaatfilm en die ook weer uitlezen in minder dan twintig picoseconde (1 picoseconde is gelijk aan 10-12 seconde of een miljoenste van een miljoenste seconde).
Hierbij kwam praktisch geen warmte vrij. De onderzoekers legden het proces vast met hun ultrasnelle camera. Nature publiceert dit resultaat op 18 januari 2017.
Kimel denkt niet dat zijn vinding snel zal worden toegepast in gewone computers, daarvoor is de overstap van metallische opslagmaterialen naar granaatfilm te groot. Wel zou het interessant kunnen zijn voor grote data-opslagcentra als die van Google en Facebook en voor de opslag bij de lage temperaturen waarop supergeleiding-elektronica en quantumcomputers waarschijnlijk zullen werken.
Het ontbreken van een geheugensysteem dat kan werken op temperaturen lager dan 10 Kelvin (-263 graden Celcius) en op hoge snelheid was tot nu toe één van de hardnekkige obstakels voor supergeleiding-computing.
