De computers van de toekomst moeten sneller, kleiner en zuiniger zijn. Een nieuw effect zal hiervoor een belangrijke bijdrage kunnen leveren: er is 100.000 maal minder stroom nodig dan bij de huidige technologieën en het aantal atomen voor een informatie-bit zou beduidend kleiner kunnen zijn. Een team van fysici van de Technische Universität München (TUM) en de Universität zu Köln (UzK) werken deze technologie uit. Ze hebben een eenvoudige elektro-nische methode ontwikkeld, waarmee de informatie-bits verschoven en uitgelezen kunnen worden.
Drie jaar geleden ontdekten natuurkundigen van de TUM in een kristal van mangaan-silicium een nieuwe magnetische structuurvorm: een rooster van magnetische wervelingen. Samen met collega’s van UzK deden ze onderzoek naar de eigenschappen van deze naar de Britse natuurkundige Tony Skyrme vernoemde wervelingen, de Skyrm-ionen.
Ze verwachten nieuwe resultaten op het gebied van de zogenaamde spin-tronics, nano-elektronische bouwstenen die niet alleen de elektrische lading van elektronen, maar ook het magnetisch moment (de spin) benutten voor informatieverwerking.
Skyrm-ionen
Het onderzoek concentreert zich op de vraag hoe men magnetische informatie met behulp van elektrische stromen direct in materiaal kan schrijven. Het probleem daarbij op dit moment is de noodzakelijke extreem hoge stroom-sterkte, waarvan de neveneffecten zelfs in nanostructuren nauwelijks beheersbaar zijn. Omdat de Skyrm-ionen in beweging kunnen worden gebracht met een 100.000 keer lagere stroomsterkte, is de interesse van de wetenschap en industrie groot.
Al bij de ontdekking van de magnetische wervelingen was duidelijk, dat mangaan-silicium niet het enige materiaal zou blijven, waar dergelijke Skyrm-ionen zouden kunnen worden opgewekt. Japanse onderzoekers hebben al bewezen, dat het mogelijk is om een enkele werveling op te wekken.
Een groep natuurkundigen van het Forschungszentrum Jülich en univer-siteiten van Hamburg en Kiel bewees, dat de magnetische wervelingen ook op oppervlakken kunnen worden opgewekt. Zij vormden uit slechts vijftien atomen een informatiebit. Voor een magnetische bit op de huidige harde schijf heeft men er ongeveer een miljoen nodig.
Onderzoek
Hoe de informatie echter kon worden geschreven, veranderd en uitgelezen, bleef een probleem. Tot nu toe gebruikte het onderzoeksteam de neutronen-straling van de onderzoeksneutronenbron van het naburige FRM II van de TU München om de materialen te onderzoeken. Ze kunnen met de kristallen die ze in het laboratorium vervaardigen, direct naar de overkant gaan en daar met neutronen de magnetische structuur, de dynamiek en vele andere eigen-schappen meten.
Met behulp van de neutronenstralen konden de wetenschappers bewijzen, dat zelfs een geringe stroomsterkte voldoende was om de magnetische werveling te verschuiven. De fysici hebben nu een methode ontwikkeld, waarmee ze de uit spinwervelingen bestaande Skyrm-ionen zuiver elektronisch bewegen en meten kunnen. Als de magnetische wervelingen zich in het materiaal bewegen, wekken ze een elektrisch veld op. De onderzoekers kunnen dat nu met in het laboratorium beschikbare elektronica meten.
Met behulp van een stroom in de schrijf/ leeskop van een harde schijf wordt een magneetveld opgewekt om het materiaal op die plaats van de harde schijf te magnetiseren en een informatiebit te schrijven. De Skyrm-ionen kan men direct en met zeer kleine stromen bewegen. Op die manier moet het mogelijk zijn, om opslag en verwerking van data aanmerkelijk compacter en energetisch veel efficiënter vorm te geven.
Kwestie van temperatuur
Voor de meting van deze effecten is echter tot nu toe een zeer lage tempera-turen noodzakelijk. De wetenschappers ontwikkelen dankzij Europese fondsen momenteel nieuwe materialen, die de Skyrm-ionen ook bij kamertemperatuur bruikbaar moeten maken. Voordat echter de eerste elektronische componenten met deze technologie op de markt komen, moet er nog het een en ander aan onderzoekswerk worden verricht.
