Forskning vid Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source lovar fyra-bitars magnetiska celler istället för två-bitars magnetiska domäner av vanliga magnetiska minnen. Magnetiska virvlar är virvlar av magnetfält, där elektronsnurr pekar antingen medurs eller moturs. I den fullsatta mitten av bubbelpoolen pekar snurren antingen nedåt eller uppåt. Dessa fyra orienteringar kan representera separata informationsbitar i en ny typ av minne, om de kontrolleras oberoende och samtidigt.

"Vi spenderade 15 procent av hemenergin på prylar under 2009, och vi köper fler prylar hela tiden, " säger Peter Fischer från det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Fischer låter dig veta direkt att även om det är vetenskaplig nyfikenhet som inspirerar hans forskning vid labbets avancerade ljuskälla (ALS), han avser att det ska hjälpa till att lösa akuta problem.

"Det vi jobbar med nu kan få dessa prylar att prestera hundratals gånger bättre och även bli hundra gånger mer energieffektiva, säger Fischer, en stabsvetare på Materials Sciences Division. Som huvudutredare vid Center for X-Ray Optics, han leder ALS beamline 6.1.2, där han är specialiserad på studier av magnetism.

Fischer gav nyligen kritiskt stöd till ett team ledd av Vojtĕch Uhlíř vid Brno University of Technology i Tjeckien och Center for Magnetic Recording Research vid University of California, San Diego. Forskare från båda institutionerna och från Berkeley Lab använde de unika funktionerna hos beamline 6.1.2 för att främja ett nytt koncept inom magnetiskt minne.

"Magnetiskt minne är hjärtat i de flesta elektroniska enheter, säger Fischer, "och från forskarens synvinkel, magnetism handlar om att kontrollera elektronspin."

Magnetiska minnen lagrar informationsbitar i diskreta enheter vars elektronsnurr alla radas upp parallellt, pekar åt ena sidan eller motsatt för att beteckna en etta eller en nolla. Vad Fischer och hans kollegor föreslår är multibit-lagring där varje enhet har fyra tillstånd istället för två och kan lagra dubbelt så mycket information.

Nyckeln är magnetiska virvlar – virvlar av magnetfält – begränsade till små metallskivor på några miljarddels meter (nanometer) i diameter. Elektronsnurren söker den lägsta möjliga energin; snurrar som pekar i motsatta riktningar, antiparallell, kosta energi. Så elektronerna är i linje med alla deras snurr pekar i en cirkel, antingen medurs eller moturs runt skivan.

I virvelns kärna, dock, där cirklarna blir mindre och mindre och närliggande snurr oundvikligen skulle vara antiparallellt, de tenderar att luta ut ur planet, pekar antingen uppåt eller nedåt.

"Så varje skiva har fyra bitar istället för två - vänster eller höger cirkulär och uppåt eller nedåt polariteten för kärnan - men du måste kunna styra orienteringen för var och en oberoende, säger Fischer.

Upp, ner, och runt – ta kontroll

Applicera en stark, ett stadigt externt magnetfält kan vända kärnpolariteten, men praktiska enheter kan inte tolerera starka fält, och de behöver snabbare växlar. Tidigare forskare vid ALS hade funnit att med svaga oscillerande magnetfält i nanoskivans plan kunde de snabbt knuffa ut kärnan från dess centrala position och få samma resultat.

"Istället för ett statiskt fält, du vickar på det, " förklarar Fischer. När kärnan skjuts bort från mitten av skivan, på varandra följande magnetiska vågor – förändringar i rotationsorientering – flyttar kärnan snabbare och snabbare tills dess polaritet vänder till motsatt orientering.

Teamet använde ALS beamline 6.1.2 för att demonstrera, för första gången, att liknande metoder kan styra de magnetiska virvlarnas cirkularitet.

I detta fall, "vickningen" driver kärnan direkt från kanten av skivan. När den väl har utvisats, virveln kollapsar och reformerar, med snurr som pekar i motsatt riktning:medurs istället för moturs, eller tvärtom.

Beamline 6.1.2 är specialiserat på mjuk röntgentransmissionsmikroskopi av magnetiska tillstånd, vilket gjorde det möjligt för forskarna att göra direkta bilder av hur styrkan och varaktigheten hos tågen av elektriska och magnetiska pulser påverkade virvelns cirkularitet. De fann att kontroll beror på skivans geometri.

Diskarna var alla koniska, med diagonala skivor från sina övre ytor som tjänade till att accelerera kärnan, när den väl började röra på sig. Men tjocklek och diameter var de viktiga faktorerna:ju mindre skivan, desto bättre.

"Tjocka" skivor (30 nanometer) över tusen nanometer i diameter var trögheter, det tar mer än tre nanosekunder att byta cirkuläritet. Men skivor som bara är 20 nanometer tjocka och 100 nanometer i diameter kunde byta orientering på mindre än en halv nanosekund.

Mycket återstår att göra innan multibiten med fyra värden blir praktisk, Polariteten kan styras, och cirkulariteten kan kontrolleras, men än så länge kan de inte kontrolleras samtidigt. Planer för att göra detta är under arbete.

"Detta är den vetenskapliga grunden för möjliga tillämpningar som kommer, " säger Fischer. "Vi tittar redan på sätt att kontrollera spinn med temperatur och spänning, hur man helt frikopplar spinn från laddningsströmmar, och även på sätt att koppla samman kedjor av nanodiskar för att bygga logiska enheter – inte bara för minne, men för beräkning."

Enligt Fischers åsikt, ALS:s mjuka röntgenmikroskopverktyg är i polposition för tävlingen inom magnetismforskning. "Ingen metod förutom röntgenmikroskopi kan ge lika omfattande information, både för att identifiera de magnetiska materialen och för att avbilda den snabbaste dynamiken i magnetiska tillstånd på nanoskalan. Instrumenten vi har är unika och tjänar hela vortexgemenskapen, över hela världen."