Magnetisk datalagring har länge ansetts vara för långsam för användning i datorns arbetsminnen. Forskare vid ETH har nu undersökt en teknik med vilken magnetisk dataskrivning kan göras betydligt snabbare och med mindre energi.

I nästan sjuttio år nu, magnetband och hårddiskar har använts för datalagring i datorer. Trots många nya tekniker som har utvecklats under tiden, den kontrollerade magnetiseringen av ett datalagringsmedium förblir det första valet för arkivering av information på grund av dess livslängd och låga pris. Som ett sätt att förverkliga slumpmässiga åtkomstminnen (RAM), dock, som används som huvudminne för behandling av data i datorer, magnetisk lagringsteknik ansågs länge vara otillräcklig. Det beror främst på dess låga skrivhastighet och relativt höga energiförbrukning.

Pietro Gambardella, Professor vid Institutionen för material vid ETH Zürich, och hans kollegor, tillsammans med kollegor vid fysikavdelningen och vid Paul Scherrer Institute (PSI), har nu visat att med hjälp av en ny teknik, magnetisk lagring kan fortfarande uppnås mycket snabbt och utan att slösa energi.

Magnetiseringsinversion utan spolar

I traditionell magnetisk datalagringsteknik, band- eller skivdatabärare belagda med en koboltlegering används. En strömbärande spole producerar ett magnetfält som ändrar magnetiseringsriktningen i en liten del av databäraren. Jämfört med hastigheterna hos moderna processorer, denna procedur är mycket långsam, och spolarnas elektriska motstånd leder till energiförlust. Det skulle, därför, vara mycket bättre om man kunde ändra magnetiseringsriktningen direkt, utan att ta en omväg via magnetiska spolar.

Under 2011, Gambardella och hans kollegor visade redan en teknik som kunde göra just det:En elektrisk ström som passerar genom en speciellt belagd halvledarfilm inverterade magnetiseringen i en liten metallpunkt. Detta möjliggörs av en fysisk effekt som kallas spin-orbit-torque. I denna effekt, en ström som flödar i en ledare leder till en ackumulering av elektroner med motsatt magnetiskt moment (snurrar) vid ledarens kanter. Elektronen snurrar, i tur och ordning, skapa ett magnetfält som får atomerna i ett magnetiskt material i närheten att ändra orienteringen av deras magnetiska ögonblick. I en ny studie har forskarna nu undersökt hur denna process fungerar i detalj och hur snabb den är. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturnanoteknik .

Rumslig upplösning med röntgenstrålar

I deras experiment, forskarna inverterade magnetiseringen av en koboltpunkt med en diameter på bara 500 nanometer med hjälp av elektriska strömpulser som flödade genom en intilliggande platinatråd. Under denna process, de utsatte koboltpunkten för starkt fokuserade röntgenstrålar som skapades vid den schweiziska ljuskällan för PSI. Röntgenstrålarna skannade punkten successivt med en rumslig upplösning på 25 nanometer. Hur starkt pricken absorberade röntgenstrålarna vid en viss punkt berodde på den lokala magnetiseringsriktningen.

"På detta sätt fick vi en tvådimensionell bild av magnetiseringen inuti koboltpunkten och kunde se hur den aktuella pulsen gradvis förändrade den", förklarar Manuel Baumgartner, huvudförfattare till studien och doktorand i Gambardellas forskargrupp.

Forskarna kunde således observera att magnetiseringsinversionen skedde på mindre än en nanosekund - betydligt snabbare än i andra nyligen studerade tekniker. "Dessutom, vi kan nu förutsäga utifrån de experimentella parametrarna när och var magnetiseringsinversionen börjar och var den slutar ", Tillägger Gambardella. I andra tekniker drivs inversionen också av en elektrisk ström, men det utlöses av termiska fluktuationer i materialet, vilket orsakar stora variationer i tidpunkten för inversionen.

Möjlig applikation i RAM

Forskarna skickade upp till en biljon inversionspulser genom koboltpunkten med en frekvens av 20 MHz utan att observera någon minskning av kvaliteten på magnetiseringsinversionen. "Detta ger oss hopp om att vår teknik ska vara lämplig för applikationer i magnetiska RAM -minne", säger Gambardellas tidigare postdok Kevin Garello, också en huvudförfattare till studien. Garello arbetar nu vid IMEC -forskningscentret i Leuven, Belgien, undersöka det kommersiella förverkligandet av tekniken.

I ett första steg, forskarna skulle nu vilja optimera sina material för att få inversionen att fungera ännu snabbare och vid mindre strömmar. En ytterligare möjlighet är att förbättra koboltprickarnas form. Tills vidare, de är cirkulära, men andra former som ellipser eller diamanter kan göra magnetiseringsinversionen ännu mer effektiv, säger forskarna. Magnetiska RAM -minnen kan, bland annat, göra laddningen av operativsystemet vid start av en dator föråldrad - de relevanta programmen finns kvar i arbetsminnet även när strömmen är avstängd.