Oavsett om det är att skicka några bilder till morföräldrarna på barnen, streama en film eller musik, eller surfa på internet i timmar, mängden data som vårt samhälle genererar ökar hela tiden. Men detta har ett pris, eftersom lagring av data förbrukar enorma mängder energi. Om vi ​​antar att datavolymerna fortsätter att växa i framtiden, den relaterade energiförbrukningen kommer också att öka med flera storleksordningar. Till exempel, det förutspås att energiförbrukningen inom IT-sektorn kommer att stiga till tio petawattimmar, eller tio biljoner kilowattimmar, år 2030. Detta skulle motsvara ungefär hälften av den el som produceras över hela världen.

Men vad kan man göra för att minska mängden ström som servrar behöver för att fungera? Data lagras vanligtvis i ett lagringsskikt med hjälp av magnetisering. För att skriva eller radera data, elektriska strömmar passerar genom ferromagnetiska flerskiktsstrukturer, där de strömmande elektronerna genererar ett effektivt magnetfält. Magnetiseringen i lagringsskiktet "känner" av detta magnetiska fält och ändrar dess riktning därefter. Dock, varje elektron kan bara användas en gång. Ett viktigt steg framåt inom energieffektiv datalagring innebär konstruktionen av ett ferromagnetiskt lagringsskikt som inkluderar en tungmetall som platina. När strömmen flyter genom tungmetallen, elektronerna växlar fram och tillbaka mellan tungmetallen och det ferromagnetiska lagret. Den stora fördelen med denna teknik är att elektronerna kan återanvändas flera gånger, och strömmen som krävs för att skriva data minskar med en faktor upp till tusen.

Fördubbling av effektiviteten i lagringsprocessen

Ett team av forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) som arbetar i samarbete med forskare från Forschungszentrum Jülich har nu hittat ett sätt att fördubbla effektiviteten av denna lagringsprocess igen. "Istället för att använda enkelt kisel som ett substrat som är vanligt, vi använder en piezoelektrisk kristall, " förklarade JGU-forskaren Mariia Filianina. "Vi fäster tungmetallskiktet och det ferromagnetiska skiktet till detta." Om ett elektriskt fält sedan appliceras på den piezoelektriska kristallen, det genererar mekanisk spänning i kristallen. Detta ökar i sin tur effektiviteten av den magnetiska omkopplingen av lagringsskiktet, vilket är elementet som tillhandahåller datalagring.

Graden av förbättring av effektiviteten bestäms av systemet och styrkan på det elektriska fältet. "Vi kan direkt mäta förändringen i effektivitet och följaktligen justera lämplig fältstyrka - faktiskt i farten, sade Filianina. Med andra ord, det är möjligt att direkt styra effektiviteten av den magnetiska omkopplingsprocessen genom att justera styrkan på det elektriska fält som den piezoelektriska kristallen exponeras för.

Detta kommer inte bara med en betydande minskning av energiförbrukningen utan möjliggör också användning av komplexa arkitekturer för informationslagring. Forskarna föreslår att om det elektriska fältet endast appliceras på ett litet område av den piezoelektriska kristallen, växlingseffektiviteten kommer endast att öka på den platsen. Om de nu justerar systemet så att elektronernas spinvridmoment endast kan växlas när spänningen förstärks i den piezoelektriska kristallen, de kan ändra magnetiseringen lokalt.

"Med denna metod, vi kan enkelt realisera flernivåminnen och komplexa serverarkitekturer, " sade Filianina, en doktorand vid Materials Science i Mainz Graduate School of Excellence och Max Planck Graduate Center.

"Jag är glad att samarbetet med våra kollegor på Jülich fungerar så bra. Utan hjälp av deras teoretiska analys skulle vi inte kunna förklara våra observationer. Jag ser fram emot att fortsätta arbeta med dem i samband med den senaste tidens gemensamma -erhöll ERC Synergy Grant, " betonade professor Mathias Kläui, som koordinerade försöksarbetet.