University of Minnesotas elektriska och datatekniska forskare har skapat en magnetisk tunnelkorsning som kan kopplas om av en ljuspuls som varar en biljondels sekund – ett nytt rekord. Den magnetiska tunnelkorsningen är avgörande för informationsteknologins framsteg med upphörandet av Moores lag, en princip som har styrt mikroelektronikindustrin i fem decennier.

Detta framsteg lovar utvecklingen av nya, optiskt styrd, ultrasnabba magnetiska enheter gemensamt kallade spintronics (elektronik som kombinerar optisk och magnetisk nanoteknik). Dessa enheter kan leda till innovationer inom lagring, bearbetning, och kommunikation av information. Ett exempel på sådan innovation skulle vara utvecklingen av ett system som, som den mänskliga hjärnan, kan både lagra och analysera en stor mängd data samtidigt. Detaljerna om enheten och de tester som utförts på den rapporteras i en tidning som nyligen publicerades i Fysisk granskning tillämpas , en tidskrift från American Physical Society.

Vanligtvis, den magnetiska tunnelövergången har en "sandwichliknande" struktur som består av två lager av magnetiska material med ett isolerande lager, kallas barriär, i mitten. Information skrivs på det magnetiska materialet genom att vända magnetiseringen av ett av lagren. Denna reverseringsprocess involverar ofta spiralrörelser i de snurrande elektronerna, kallas spinnbearbetning. Dock, det finns en begränsning för hur snabb spinnbehandlingen kan vara. Bromsarna är ansatta vid ungefär 1,6 GHz, ett aktuellt hastighetsrekord som är mycket långsammare än kiseltransistorer. För att möjliggöra högre skrivhastigheter, hastighetsbegränsningarna måste övervinnas.

"Med vår uppfinning av en ny magnetisk tunnelkorsning, det finns nu ett sätt att påskynda saker, sa Mo Li, en docent vid University of Minnesota Department of Electrical and Computer Engineering som ledde forskningen.

Inspirerad av 2007 års upptäckt av holländska och japanska forskare som visar att magnetiseringen av en legering av ett sällsynt jordartsmetall, kallas gadolinium (Gd), med järn (Fe), och kobolt (Co) kan växlas med ljuspulser, Forskare från University of Minnesota använde legeringen för att ersätta det övre magnetiska lagret i en konventionell magnetisk tunnelövergång. En annan modifiering de gjorde på enheten var att använda ett transparent elektriskt material som kallas indiumtennoxid för elektroden för att låta ljus passera genom den. Dessa lager staplas i en pelare med en diameter på 10 μm, som bara är en tiondel av diametern på ett typiskt människohår.

För att testa deras arbete, forskare skickade laserpulser till den modifierade enheten med hjälp av en lågprislaser baserad på optiska fibrer som avger ultrakorta pulser av infrarött ljus. Pulserna skickas en i varje mikrosekund (en miljondels sekund), men varje puls är kortare än en biljondels sekund. Varje gång en puls träffar den magnetiska tunnelövergångstolpen, forskarna observerade ett hopp i spänningen på enheten. Spänningsändringen bekräftar att resistansen hos den magnetiska tunnelövergången "sandwich" ändras varje gång magnetiseringen av GdFeCo-skiktet växlas. Eftersom varje laserpuls varar mindre än 1 pikosekund (en miljondels mikrosekund), enheten kan ta emot data med en fantastisk hastighet av 1 terabit per sekund.

Li sa att forskningen har spännande framtidsutsikter. "Vårt resultat etablerar ett nytt sätt för kommunikation mellan fiberoptik och magnetiska enheter. Medan fiberoptik ger ultrahög datahastighet, magnetiska enheter kan lagra data på ett icke-flyktigt sätt med hög densitet, " han sa.

Professor Jian-Ping Wang, chef för Center for Spintronic Materials, Gränssnitt, och Novel Structures (C-SPIN) baserade vid University of Minnesota och medförfattare till studien, ser också stort löfte. "Resultaten erbjuder en väg mot en ny kategori av optiska spintroniska enheter som har potential att möta framtida utmaningar för att utveckla framtida intelligenta system.

"Dessa system kan använda spinnenheter som neuroner och synapser för att utföra dator- och lagringsfunktioner precis som hjärnan, medan du använder ljus för att kommunicera informationen, " sa Wang.

Det slutliga målet för forskargruppen är att krympa storleken på den magnetiska tunnelövergången till mindre än 100 nanometer och minska den erforderliga optiska energin. För detta ändamål, teamet fortsätter sin forskning, och är för närvarande engagerad i att optimera enhetens material och struktur, och arbetar med att integrera den med nanofotonik. Förutom Li och Wang, postdoktor Junyang Chen, och doktorand Li He är huvudförfattare till tidningen.