Een aan het Helmholtz-Zentrum Berlin ontwikkelde magnetische ventiel maakt een nieuw soort elektronische apparaten realistisch. In nauwe samenwerking met collega’s uit Bochum en Nederland hebben de onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) een nieuw soort ultra dunne structuur ontwikkeld van verschillende magnetische materialen. Deze is bruikbaar als een soort magnetisch ventiel voor de nieuwste generatie dataopslag en gebruikt effecten van de zogenaamde spintronca, waarbij voor de informatieverwerking en -opslag naast de lading ook de magnetische eigenschappen van de elektronen kunnen worden benut.
Het voordeel van de nieuwe structuur: de data blijven ook na het uitschakelen van de energievoorziening behouden en het geheugen kan praktisch oneindig vaak opnieuw worden beschreven. De resultaten van hun onderzoek maakten de onderzoekers bekend in het vakblad Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms1728).
Nieuwsgierigheid
Alles is begonnen met simpele academische nieuwsgierigheid. “In het begin wilden we met twee op elkaar liggende, dunne ferromagnetische lagen uitsluitend een gedefinieerde anisotropie creëren”, zegt Florin Radu, fysicus bij het instituut voor complexe magnetische materialen van het Helmholtz-Zentrum Berlin en hoofdauteur van de studie. De onderzoekers wilden dus simpelweg voor een structuur zorgen, waarbij de magnetische eigenschap in het materiaal gedefinieerd verandert. In het vakgebied wordt dit aangeduid als hysteresis.
Zij beschrijven het gedrag van de magnetische substanties ten opzichte van een van buiten aangelegd magnetisch veld. Maar de opdracht bleek uitermate moeilijk te zijn. De magnetische krachten op de grensvlakken bleken dermate sterk, dat de filmen zich ten opzichte van elkaar verdraaiden. Een extra niet magnetische laag van tantaal tussen de ferromagnetische lagen was noodzakelijk om dit effect af te zwakken.
Spin-ventiel
Wat wetenschappers daarna konden waarnemen verbaasde ze zeer: het systeem gedroeg zich elementair anders dan de bekende systemen van ferromagnetische en anti- ferromagnetische lagen. De als magnetisch ” zacht” beschreven ferromagneet, die bestaat uit de chemische elementen ijzer en gadolinium, toont onverwacht een verschuiving van de hysteresis, terwijl bij de ” harde ” ferromagnetische film, die bestaat uit de chemische elementen dysprosium und kobalt, het aanwezige magnetisme onveranderd blijft.
Deze ontdekking effent de weg voor een inmiddels zeer levendig onderzoeksveld, bekend onder de naam spintronica. “Weten hoe iets functioneert en het dan daarna ook nog bewijzen”, aldus Radu. “Het zou me niet verwonderen, als deze ontdekking in de toekomst een PC’s, smartphones of tablet-computers zal worden toegepast”. Het HZB heeft voor deze uitvinding de afgelopen week een patentaanvraag gedaan voor het zogenaamde spin-ventiel.
Geheugen: vluchtig of niet
Tegenwoordig zijn geheugens of vluchtig of niet. Bij de eerstgenoemde gaat informatie verloren, als men het apparaat uitschakelt, terwijl bij de laatste deze specifiek jarenlang behouden blijft. Vanwege thermische effecten zijn deze na ongeveer 10 jaar eveneens niet meer bruikbaar. Vooral als de bits en bytes nog maar enkele nanometers groot zijn, verliezen ze aan stabiliteit. Als de richting van de magnetisering, die zeer sterk afhankelijk is van de ” harde ” magnetische laag, verloren is gegaan, kan deze nauwelijks nog in de originele toestand worden teruggezet. Dit leidt onvermijdelijk tot dataverlies.
Instelbaar geheugen
Dat is nu met de nieuwe uitvinding, het spin-ventiel, te vermijden. Door het sturen van de magnetische eigenschappen van de harde, ferromagnetische laag, kunnen nu zogenaamde RAM-geheugen onderdelen worden geproduceerd, waarbij de levensduur van opgeslagen informatie naar wens voor weken, maanden of jaren kan worden ingesteld. Bovendien kan de oorspronkelijke magnetische oriëntering weer worden teruggehaald, dat de levensduur van de informatie ten opzichte van die van een niet vluchtige MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) beduidend verhoogd. Deze componenten zijn in de micro-elektronica zeer gewenst maar konden tot nog toe vanwege hoge kosten en technische problemen geen plaats vinden op de markt.
Een grafische weergave van het koppelmechanisme tussen harde en zachte ferromagnetische legeringen met loodrechte magnetisering (Afbeelding: RUB/Abrudan)
Met het door Radu en zijn collega’s ontwikkelde spin-ventiel kunnen nu elektronische apparaten worden geconstrueerd, die net als bij de MRAM-techniek onmiddellijk na het inschakelen bedrijfsklaar zijn en waarbij de data gegevens praktisch oneindig te beschrijven zijn.
