Racetrack-minne är en potentiell nästa generations lösning för våra digitala lagringsenheter. Dock, nuvarande experiment med enskikts ferromagnetiska nanotrådar är mindre effektiva än förväntat. Ny forskning publicerad i Vetenskapliga rapporter visar att ersätta dem med en dubbelskiktad syntetisk ferrimagnet nanotråd minskar elektrisk strömbehov med en faktor tio, och effektbehov med en faktor hundra.

Racing runt banan

När du köper en ny dator, vi måste välja mellan en billig konventionell hårddisk, och en solid state-lagringsenhet. Konventionella hårddiskar har rörliga delar, som kan misslyckas, och det krävs mycket kraft för att hålla skivorna igång. Solid state-enheter är snabbare, och mindre benägna att misslyckas, men de är betydligt dyrare. Forskning nyligen publicerad i Vetenskapliga rapporter för oss närmare ett tredje alternativ - en ny enhetsstil som har potential att vara 100 gånger billigare än nuvarande teknik.

Racetrack-minne är en experimentell form av lagring som lagrar data som en serie magnetiska domäner i en nanotråd, använda elektriska strömmar för att "skjuta" domänerna förbi ett läs-/skrivelement. Racetrackminne skulle ha en högre lagringstäthet än jämförbara solid state-enheter i kombination med snabbare läs/skrivprestanda och lägre energiförbrukning.

I experimentella enheter som använder en enda ferromagnetisk nanotråd, prestanda har påverkats av defekter i tråden, som gör det svårare att flytta de magnetiska domänerna, och kräver högre elektriska strömmar.

Syntetiska ferrimagnet nanotrådar påskyndar saker och ting

Christopher Marrows, Professor i kondenserad materiens fysik vid University of Leeds, ledde ett internationellt samarbete av forskare som undersökte hypotesen att prestanda skulle kunna förbättras genom att använda en tvåskiktad nanotråd, med motsatta magnetiska domäner i varje lager för att bilda en syntetisk ferrimagnet. Detta tillvägagångssätt skulle förenkla domänväggstrukturerna.

Eftersom de behövde avgöra vad som hände i båda trådlagren, forskarna använde en kombination av avbildningsmetoder. Transmissionselektronmikroskopi (TEM), genomfördes vid University of Glasgow, visade vad som hände i de kombinerade lagren. På Diamond's Nanoscience beamline (I06), forskarna använde XMCD-PEEM (X-ray Magnetic Circular Dichroism, röntgenfotoelektronemissionsmikroskopi), en teknik som är mycket ytkänslig och därmed ser in i det översta lagret av nanotråden. Genom att kombinera de två uppsättningarna resultat, händelserna som inträffar i båda skikten kan vara kända.

Resultaten visade att den syntetiska ferrimagneten verkligen tillåter domänväggar att röra sig med en lägre ström, med en faktor 10. Detta motsvarar en 100-faldig minskning av mängden effekt som krävs. Teoretisk modellering (som utförs vid RIKEN Center for Emergent Matter Science) förklarar effekten, visar att de enklare domänväggarna inte är den enda faktorn; hur lagren interagerar gör det också lättare att flytta data.

Är mållinjen i sikte?

För att den fulla potentialen av racerbanminne ska förverkligas, den måste röra sig bortom 2D (en platt tråd på en plan yta), till 3D-minnestorn, vid vilken punkt fördelarna med full lagringstäthet/kostnadsminskning kommer att träda i kraft. För att det ska bli en möjlighet krävs ytterligare ett genombrott. Sålänge, Prof Marrows har riktat sin uppmärksamhet mot skyrmioner, som han beskriver som domänväggar inlindade i cirkulära föremål. "Om du tänker på domänväggar som pärlor som rör sig på en kulram, " han säger, "då är skyrmioner partiklar på en yta - de kan röra sig i 2D. De kan också användas för att bygga racerbanans minne som våra framtida enheter kommer att förlita sig på."

"Det som är särskilt spännande med detta forskningsfält, " Prof Marrows fortsätter, "är att vi studerar esoteriska kvantfysikkoncept som är förvånansvärt nära att ha tillämpningar i den verkliga världen."