Forskare vid MIT har utvecklat ett nytt sätt att styra rörelsen för magnetiska domäner - nyckelteknologin i magnetiska minnessystem, som en dators hårddisk. Det nya tillvägagångssättet kräver liten skrivkraft och ingen kraft för att behålla lagrad information, och kan leda till en ny generation extremt lågeffektiv datalagring.
Den nya metoden styr magnetismen genom att applicera en spänning, snarare än ett magnetfält. Det kan leda till magnetiska lagringsenheter där data skrivs på mikroskopiska nanotrådar eller spår, med magnetiska "bitar" av data som rusar längs dem som bilar på en bana.
De nya resultaten beskrivs i ett papper som publicerades i veckan i tidningen Naturnanoteknik , skriven av biträdande professor i materialvetenskap och teknik Geoffrey Beach och doktorander Uwe Bauer och Satoru Emori.
"I hundratals år, om du hade ett magnetiskt material och du ville ändra i vilken riktning materialet magnetiserades, du behövde en annan magnet, "Beach förklarar. Hans teams arbete representerar ett helt nytt sätt att byta magnetiska tillstånd med bara en förändring i spänning, utan magnetfält-en process med mycket lägre effekt. Vad mer, när det magnetiska tillståndet har bytts, den håller den förändringen, tillhandahåller stabil datalagring som inte kräver ström utom under läsning och skrivning.
Forskarna visar att denna effekt kan användas för att möjliggöra nya koncept som "racerbaneminne, "med magnetiska bitar som rusar längs ett magnetiskt spår. Medan det har gjorts laboratoriedemonstrationer av sådana enheter, ingen har kommit nära lönsamheten för datalagring:Den saknade delen har varit ett sätt att exakt styra positionen och elektriskt välja individuella magnetbitar som springer längs magnetbanan.
"Magnetfält är mycket svåra att lokalisera, "Stranden säger:Om du försöker skapa små magnetiska bitar på en nanotråd eller spår, magnetfälten från elektromagneterna som används för att läsa och skriva data tenderar att spridas ut, gör det svårt att förhindra interaktion med intilliggande remsor, särskilt när enheterna blir mindre och mindre.
Men det nya systemet kan exakt välja enskilda magnetbitar representerade av små domäner i en nanotråd. MIT -enheten kan stoppa rörelsen för magnetiska domäner som tappar 20 meter per sekund, eller ca 45 mph, "på en krona, "Beach säger. De kan sedan släppas på begäran helt enkelt genom att växla den applicerade spänningen.
För att uppnå denna prestation, MIT -teamet byggde en ny typ av enhet som styr magnetism på ungefär samma sätt som en transistor styr ett flöde av elektricitet. Den viktigaste ingrediensen är ett lager av jonrikt material där atomer har tagits bort från elektroner, lämnar dem med en elektrisk laddning. En spänning som appliceras på en liten elektrod ovanför detta tunna skikt kan antingen locka eller stöta bort dessa joner; jonerna, i tur och ordning, kan modifiera egenskaperna hos en underliggande magnet och stoppa flödet av magnetiska domäner. Detta kan leda till en ny familj av "magneto-joniska" enheter, forskarna föreslår.
Effekten beror på kemiska interaktioner vid gränsen mellan tunna lager av magnetisk metall och elektrolytmaterial i fast tillstånd som är ihopklämda, Säger stranden. "Så det är verkligen gränssnittskemin som avgör de magnetiska egenskaperna, " han säger.
I praktiken, ett sådant system skulle använda en tråd eller remsa av ferromagnetiskt material med en rad regelbundet åtskilda, små elektroder ovanpå den. De magnetiska bitarna mellan dessa elektroder kan sedan skrivas eller läsas selektivt.
När orienteringen av magnetbiten mellan två elektroder har ställts in av denna enhet, "det kommer i sig att behålla sin riktning och position även i avsaknad av makt, "Säger stranden. Så, i praktiken, du kan ställa in en magnetbit, "stäng sedan av strömmen tills du behöver läsa den igen, " han säger.
Eftersom magnetomkopplingen inte kräver något magnetfält, "det finns nästan ingen energispridning, "Säger stranden. Vad mer, den resulterande fästningen av de magnetiska bitarna är extremt stark, vilket resulterar i ett stabilt lagringssystem.
De viktigaste ingredienserna i systemet är "mycket enkla oxidmaterial, "Säger Bauer. I synnerhet dessa tester använde gadoliniumoxid, som redan används vid tillverkning av kondensatorer och vid halvledartillverkning.
Dan Allwood, en forskare i materialfysik vid University of Sheffield som inte var inblandad i denna forskning, säger att det "inte bara erbjuder en ny teknisk väg för att styra dynamiska magnetiseringsprocesser i mönstrade nanostrukturer, men därigenom presenteras också nya fysiska processer i hur spänning kan påverka magnetiskt beteende mer allmänt. Att förstå det detaljerade ursprunget till dessa effekter kan göra det möjligt att skapa enkla, informationstekniska enheter med låg effekt. "
Förutom magnetiska lagringssystem, MIT -teamet säger, denna teknik kan också användas för att skapa nya elektroniska enheter baserade på spintronics, i vilken information bärs av atomernas rotationsorientering. "Det öppnar upp en helt ny domän, "Beach säger." Du kan göra både datalagring och beräkning, potentiellt med mycket lägre effekt. "
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
