Forskare vid UC Berkeley och UC Riverside har utvecklat en ny, ultrasnabb metod för att elektriskt kontrollera magnetism i vissa metaller, ett genombrott som kan leda till kraftigt ökad prestanda och mer energieffektiv datorminne och bearbetningsteknik.

Gruppens resultat, ledd av Berkeley elektroteknik och datavetenskap (EECS) professor Jeffrey Bokor, publiceras i ett par artiklar i tidskrifterna Vetenskapliga framsteg (Volym 3, Nr 49, 3 november, 2017) och Bokstäver i tillämpad fysik (Vol. III, Nr 4, 24 juli kl. 2017).

Datorer använder olika typer av minneteknologier för att lagra data. Långtids minne, vanligtvis en hårddisk eller flash -enhet, måste vara tät för att lagra så mycket data som möjligt. Men den centrala processorenheten (CPU)-hårdvaran som gör det möjligt för datorer att beräkna-kräver sitt eget minne för kortsiktig lagring av information medan operationer utförs. Random Access Memory (RAM) är ett exempel på ett sådant korttidsminne.

Att läsa och skriva data till RAM -minnet måste vara extremt snabbt för att hålla jämna steg med processorns beräkningar. De flesta nuvarande RAM-tekniker är baserade på laddning (elektron) retention, och kan skrivas med hastigheter på miljarder bitar per sekund (eller bitar/nanosekund). Nackdelen med dessa laddningsbaserade tekniker är att de är flyktiga, kräver konstant ström annars förlorar de data.

På senare år har magnetiska alternativ till RAM, känt som Magnetic Random Access Memory (MRAM), har nått marknaden. Fördelen med magneter är att de behåller information även när minne och CPU är avstängda, möjliggör energibesparingar. Men den effektiviteten kommer på bekostnad av hastigheten. En stor utmaning för MRAM har varit att påskynda skrivandet av en enda bit information till mindre än 10 nanosekunder.

"Utvecklingen av ett icke-flyktigt minne som är lika snabbt som laddningsbaserade slumpmässiga åtkomstminnen kan dramatiskt förbättra prestanda och energieffektivitet för beräkningsenheter, säger Bokor, som också är seniorforskare vid materialvetenskapsavdelningen vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Det motiverade oss att leta efter nya sätt att kontrollera magnetism i material vid mycket högre hastigheter än i dagens MRAM."

"Inspirerad av de senaste experimenten i Nederländerna med ultrasnabb magnetisk omkoppling med korta laserpulser, vi byggde speciella kretsar för att studera hur magnetiska metaller reagerar på elektriska pulser så korta som några biljoner tiondelar av en sekund, " eller pikosekunder, säger medförfattaren Yang Yang (M.S.'13 Ph.D.'17 MSE). "Vi fann att i en magnetisk legering som består av gadolinium och järn, dessa snabba elektriska pulser kan ändra magnetismens riktning på mindre än 10 pikosekunder. Det är storleksordningar snabbare än någon annan MRAM -teknik. "

"Den elektriska pulsen ökar tillfälligt energin i järnatomens elektroner, "säger Richard Wilson, för närvarande en biträdande professor i maskinteknik vid UC Riverside som började sitt arbete med detta projekt som postdoktor i EECS i Berkeley. "Denna energiökning gör att magnetismen i järn- och gadoliniumatomerna utövar vridmoment på varandra, och leder så småningom till en omorientering av metallens magnetiska poler. Det är ett helt nytt sätt att använda elektriska strömmar för att styra magneter. "

Efter deras första demonstration av elektrisk skrivning i den speciella gadolinium-järnlegeringen, forskargruppen sökte sätt att utöka sin metod till en bredare klass av magnetiska material. "De speciella magnetiska egenskaperna hos gadolinium-järnlegeringen är det som får detta att fungera, säger Charles-Henri Lambert, en Berkeley EECS postdoc. "Därför, att hitta ett sätt att utöka vårt tillvägagångssätt för snabb elektrisk skrivning till en bredare klass av magnetiska material var en spännande utmaning. "

Att ta itu med den senare utmaningen var föremål för en andra studie, publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik i juli. "Vi fann att när vi staplar en enkel element magnetisk metall som kobolt ovanpå gadolinium-järnlegeringen, interaktionen mellan de två skikten gör att vi också kan manipulera koboltets magnetism på oöverträffade tidsskalor. "säger Jon Gorchon, en postdoktoral forskning vid materialvetenskapsavdelningen vid Lawrence Berkeley Lab och i EECS vid UC Berkeley.

"Tillsammans, dessa två upptäckter ger en väg mot ultrasnabba magnetiska minnen som möjliggör en ny generation av högpresterande, datorer med låg effekt och hög hastighet, icke-flyktiga minnen direkt på chipet, " säger Bokor.