När du sparar en bild på din smartphone, dessa data skrivs på små transistorer som är elektriskt påslagna eller avstängda i ett mönster av "bitar" för att representera och koda den bilden. De flesta transistorer idag är gjorda av kisel, ett element som forskare har lyckats byta i allt mindre skala, möjliggör miljarder bitar, och därför stora bibliotek med bilder och andra filer, att packas på ett enda minneschip.

Men en växande efterfrågan på data, och medlen för att lagra dem, driver forskare att söka bortom kisel efter material som kan driva minnesenheter till högre densiteter, hastigheter, och säkerhet.

Nu har MIT-fysiker visat preliminära bevis för att data kan lagras snabbare, tätare, och säkrare bitar gjorda av antiferromagneter.

Antiferromagnetisk, eller AFM-material är de mindre kända kusinerna till ferromagneter, eller konventionella magnetiska material. Där elektronerna i ferromagneter snurrar synkront – en egenskap som gör att en kompassnål pekar norrut, kollektivt följer jordens magnetfält – elektroner i en antiferromagnet föredrar motsatt spin till sin granne, i en "antialignment" som effektivt dämpar magnetisering även i de minsta skalorna.

Frånvaron av nätmagnetisering i en antiferromagnet gör den ogenomtränglig för alla yttre magnetfält. Om de gjordes till minnesenheter, antiferromagnetiska bitar kan skydda alla kodade data från att magnetiskt raderas. De kan också göras till mindre transistorer och packas i större antal per chip än traditionellt kisel.

Nu har MIT-teamet funnit att genom att dopa extra elektroner i ett antiferromagnetiskt material, de kan slå på och av dess kollektiva antijusterade arrangemang, på ett kontrollerbart sätt. De fann att denna magnetiska övergång är reversibel, och tillräckligt skarp, liknar att byta en transistors tillstånd från 0 till 1. Resultaten, publiceras idag i Fysiska granskningsbrev , demonstrera en potentiell ny väg att använda antiferromagneter som en digital switch.

"Ett AFM-minne kan göra det möjligt att skala upp datalagringskapaciteten för nuvarande enheter – samma volym, men mer data, " säger studiens huvudförfattare Riccardo Comin, biträdande professor i fysik vid MIT.

Comins MIT-medförfattare inkluderar huvudförfattare och doktorand Jiarui Li, tillsammans med Zhihai Zhu, Grace Zhang, och Da Zhou; samt Roberg Green från University of Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sun, och Shriram Ramanathan från Purdue University; Ronny Sutarto och Feizhou He från Canadian Light Source; och Jerzy Sadowski vid Brookhaven National Laboratory.

Magnetiskt minne

För att förbättra datalagring, vissa forskare tittar på MRAM, eller magnetoresistivt RAM, en typ av minnessystem som lagrar data som bitar gjorda av konventionella magnetiska material. I princip, en MRAM-enhet skulle mönstras med miljarder magnetiska bitar. För att koda data, riktningen för en lokal magnetisk domän i enheten vänds, liknar att byta en transistor från 0 till 1.

MRAM-system kan potentiellt läsa och skriva data snabbare än kiselbaserade enheter och kan köras med mindre ström. Men de kan också vara sårbara för yttre magnetfält.

"Systemet som helhet följer ett magnetfält som en solros följer solen, vilket är anledningen till, om du tar en magnetisk datalagringsenhet och placerar den i ett måttligt magnetfält, information raderas helt, " säger Comin.

Antiferromagneter, i kontrast, är opåverkade av externa fält och kan därför vara ett säkrare alternativ till MRAM-designer. Ett viktigt steg mot kodningsbara AFM-bitar är förmågan att slå på och av antiferromagnetism. Forskare har hittat olika sätt att åstadkomma detta, mestadels genom att använda elektrisk ström för att byta ett material från dess ordnade antiinriktning, till en slumpmässig störning av snurr.

"Med dessa tillvägagångssätt, bytet går väldigt snabbt, " säger Li. "Men nackdelen är, varje gång du behöver en ström för att läsa eller skriva, som kräver mycket energi per operation. När saker och ting blir väldigt små, energin och värmen som genereras av löpande strömmar är betydande."

Dopad sjukdom

Comin och hans kollegor undrade om de kunde åstadkomma antiferromagnetisk omkoppling på ett mer effektivt sätt. I deras nya studie, de arbetar med neodymnickelat, en antiferromagnetisk oxid som odlas i Ramanathan-labbet. Detta material uppvisar nanodomäner som består av nickelatomer med en motsatt spinn till dess granne, och hålls samman av syre- och neodymatomer. Forskarna hade tidigare kartlagt materialets fraktala egenskaper.

Sedan dess, forskarna har undersökt om de kunde manipulera materialets antiferromagnetism via dopning – en process som avsiktligt introducerar föroreningar i ett material för att ändra dess elektroniska egenskaper. I deras fall, forskarna dopade neodymnickeloxid genom att ta bort materialet från dess syreatomer.

När en syreatom avlägsnas, den lämnar efter sig två elektroner, som omfördelas mellan de andra nickel- och syreatomerna. Forskarna undrade om borttagning av många syreatomer skulle resultera i en dominoeffekt av störning som skulle stänga av materialets ordnade antiinriktning.

För att testa deras teori, de odlade 100 nanometer tunna filmer av neodymnickeloxid och placerade dem i en syresvält kammare, värmde sedan upp proverna till temperaturer på 400 grader Celsius för att uppmuntra syre att fly från filmerna och in i kammarens atmosfär.

När de tog bort gradvis mer syre, de studerade filmerna med hjälp av avancerad magnetisk röntgenkristallografiteknik för att avgöra om materialets magnetiska struktur var intakt, antyder att dess atomsnurr förblev i sin ordnade antiinriktning, och behöll därför antiferomagnetism. Om deras data visade en brist på en ordnad magnetisk struktur, det skulle vara bevis på att materialets antiferromagnetism hade stängts av, på grund av tillräcklig dopning.

Genom sina experiment, forskarna kunde stänga av materialets antiferromagnetism vid en viss kritisk dopingtröskel. De kan också återställa antiferromagnetism genom att tillföra syre tillbaka till materialet.

Nu när laget har visat att dopning effektivt slår på och av AFM, forskare kan använda mer praktiska sätt att dopa liknande material. Till exempel, kiselbaserade transistorer växlas med spänningsaktiverade "gates, " där en liten spänning appliceras på en bit för att ändra dess elektriska ledningsförmåga. Comin säger att antiferromagnetiska bitar också kan kopplas om med hjälp av lämpliga spänningsgrindar, som skulle kräva mindre energi än andra antiferromagnetiska kopplingstekniker.

"Detta kan ge en möjlighet att utveckla en magnetisk minneslagringsenhet som fungerar på samma sätt som kiselbaserade chips, med den extra fördelen att du kan lagra information i AFM-domäner som är mycket robusta och kan packas med hög densitet, " säger Comin. "Det är nyckeln till att möta utmaningarna i en datadriven värld."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.