Idag registreras nästan all information som lagras på hårddiskar eller molnservrar i magnetiska medier, eftersom den är icke-flyktig (dvs. den behåller informationen när strömmen är avstängd) och billig. För bärbara enheter som mobiltelefoner och surfplattor, andra former av icke-magnetiskt minne används eftersom tekniken baserad på magnetism är opraktisk och inte är energieffektiv. I en tid med massdatalagring och bärbara enheter som samlar in och behandlar information, sökningen pågår för att hitta mindre, snabbare, billigare och mer energieffektiva sätt, av både behandling och lagring av ökande datamängder.

Under sin forskning om användningen av magnetiska domänväggar (lokala områden med magnetisk "laddning" vanligtvis driven av magnetfält) för att öka vår kapacitet för informationslagring och logisk bearbetning, fysiker vid University of Nottingham har upptäckt ett fenomen som har gjort det möjligt för dem att "manipulera" strukturen hos en magnetisk domänvägg.

Forskningen utförd av forskare i Spintronics -gruppen vid School of Physics and Astronomy, i samarbete med York University, har publicerats i open access journal Vetenskapliga rapporter ( Vetenskapliga rapporter 7, Artikelnummer:7613 (2017) DOI:10.1038/s41598-017-07944-9). Det kan vara en väg till att skapa en ny klass av högeffektiva, icke-flyktig informationsbehandling och lagringsteknik.

Dr Andrew Rushforth, från Skolan för fysik och astronomi, sade:"I drivet mot alltmer miniatyriserade, bärbara enheter, behovet av att lagra och bearbeta information med låg strömförbrukning blir en kritisk fråga. Begrepp för informationslagring och logisk behandling baserad på magnetiska domänväggar har stor potential för implementering i framtida informations- och kommunikationsteknik. "

Magnetiska medier

Den största fördelen med att använda magnetism är det faktum att det magnetiska tillståndet förblir stabilt när strömmen tas bort från enheten, möjliggör icke-flyktig lagring av information. Däremot, de flesta processorer och RAM -chips (random access memory) lagrar information med elektrisk laddning som är snabb, men försvinner när enheten stängs av.

Magnetic random access memory (MRAM) är en lovande form av icke-flyktigt RAM-minne baserat på magnetism som nyligen har hittat applikationer på vissa nischmarknader. I MRAM skrivs information med hjälp av elektrisk ström som genererar värme och magnetiska fält.

Hittills finns det ingen teknik som använder magnetism för att behandla information.

Utnyttja magnetism för att bearbeta och lagra information

En lösning på dessa problem kan ligga i användningen av magnetiska domänväggar. En magnetisk domänvägg bildas i en magnetisk tråd och separerar områden där magnetiseringen pekar i motsatta riktningar. Under vissa förhållanden består den av ett område där magnetiseringen roterar runt en central virvelkärna, som pekar in i eller ut ur tråden.

En analogi skulle vara det sätt på vilket vatten roterar runt en virvelkärna när det rinner ut ett plugghål. Känslan av rotation av magnetiseringen i virvelväggen - dess kiralitet - kan vara medurs eller moturs. Det har kommit förslag om att använda kiraliteten för att både lagra och bearbeta information. Problemet är att hitta ett sätt att manipulera virveldomänväggen.

Tidigare har det visats att kiraliteten kan manipuleras genom att applicera magnetfält på komplicerade nanotrådsgeometrier, men användningen av magnetfält är slöseri med energi och begränsar möjligheten att selektivt ta itu med enskilda domänväggar.

En överraskande upptäckt

Forskarna har upptäckt ett sätt att kontrollera virvelns domänväggs kiralitet med hjälp av ett elektriskt fält.

Dr Rushforth sa:"Vi bestämde oss inte för att ändra domänväggarnas kiralitet. Vi försökte faktiskt se om vi kunde få dem att röra sig. När vi märkte att kiraliteten växlade, vi blev ganska förvånade, men vi insåg att det var en intressant och ny effekt som potentiellt kan ha viktiga tillämpningar. Vi fick sedan gå tillbaka till kontoret och utföra mikromagnetiska beräkningar för att förstå varför och hur fenomenet uppstår. "

Teamet använde den stam som inducerades av ett elektriskt fält som applicerades på ett piezoelektriskt material (som deformeras mekaniskt som svar på ett elektriskt fält) för att manipulera chiraliteten hos domänväggen.

Kunskapen är i ett tidigt skede. Hittills har det inte varit uppenbart hur man skulle kunna styra magnetiska domänväggar reversibelt och förutsägbart med hjälp av elektriska fält. Denna forskning hjälper till att lösa problemet, men det återstår praktiska frågor att ta itu med.

Nästa steg i arbetet blir att undersöka hur kiralitetsomkopplingen beror på materialegenskaperna och geometri och dimensioner hos magnettråden.

University of Nottingham har lämnat in en patentansökan för en minnesenhet baserad på effekten.