Ny forskning har visat att en exotisk typ av magnetiskt beteende som upptäcktes för bara några år sedan lovar mycket som ett sätt att lagra data – ett sätt som kan övervinna grundläggande gränser som annars skulle kunna signalera slutet på "Moores lag, " som beskriver de pågående förbättringarna av beräkningar och datalagring under de senaste decennierna.

Istället för att läsa och skriva data en bit i taget genom att ändra orienteringen av magnetiserade partiklar på en yta, som dagens magnetskivor gör, det nya systemet skulle utnyttja små störningar i magnetisk orientering, som har kallats "skyrmions". Dessa virtuella partiklar, som uppstår på en tunn metallisk film inklämd mot en film av annan metall, kan manipuleras och styras med hjälp av elektriska fält, och kan lagra data under långa perioder utan behov av ytterligare energiinsats.

2016, ett team ledd av MIT docent i materialvetenskap och teknik Geoffrey Beach dokumenterade förekomsten av skyrmioner, men partiklarnas lägen på en yta var helt slumpmässiga. Nu, Beach har samarbetat med andra för att för första gången experimentellt demonstrera att de kan skapa dessa partiklar efter behag på specifika platser, vilket är nästa nyckelkrav för att använda dem i ett datalagringssystem. Ett effektivt system för att läsa den data kommer också att behövas för att skapa ett kommersialiserbart system.

De nya fynden rapporteras denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik , i en tidning från Beach, MIT postdoc Felix Buettner, och doktorand Ivan Lemesh, och 10 andra vid MIT och i Tyskland.

Systemet fokuserar på gränsområdet mellan atomer vars magnetiska poler pekar i en riktning och de med poler som pekar åt andra hållet. Detta gränsområde kan röra sig fram och tillbaka inom det magnetiska materialet, säger Beach. Vad han och hans team fann för fyra år sedan var att dessa gränsområden kunde kontrolleras genom att placera ett andra ark av icke-magnetisk tungmetall mycket nära det magnetiska lagret. Det omagnetiska lagret kan då påverka det magnetiska, med elektriska fält i det omagnetiska lagret som trycker runt de magnetiska domänerna i det magnetiska lagret. Skyrmioner är små virvlar av magnetisk orientering inom dessa lager, Beach tillägger.

Nyckeln till att kunna skapa skyrmioner efter behag på särskilda platser, det visar sig, ligga i materialfel. Genom att införa en speciell typ av defekt i det magnetiska lagret, skyrmionerna fastnar på specifika platser på ytan, laget hittade. De ytorna med avsiktliga defekter kan sedan användas som en kontrollerbar skrivyta för data kodad i skyrmionerna. Teamet insåg att istället för att vara ett problem, defekterna i materialet kan faktiskt vara fördelaktiga.

"En av de största saknade bitarna" som behövs för att göra skyrmions till ett praktiskt datalagringsmedium, Beach säger, var ett pålitligt sätt att skapa dem när och var de behövdes. "Så det här är ett betydande genombrott, " han förklarar, tack vare arbete av Buettner och Lemesh, tidningens huvudförfattare. "Vad de upptäckte var ett mycket snabbt och effektivt sätt att skriva" sådana formationer.

Eftersom skyrmionerna, i princip små magnetiska virvlar, är otroligt stabila mot yttre störningar, till skillnad från de enskilda magnetiska polerna i en konventionell magnetisk lagringsenhet, data kan lagras med bara en liten del av den magnetiska ytan - kanske bara några få atomer tvärs över. Det betyder att mycket mer data kan skrivas på en yta av en given storlek. Det är en viktig egenskap, Beach förklarar, eftersom konventionella magnetiska system nu når gränser som sätts av den grundläggande fysiken för deras material, potentiellt stoppa den stadiga förbättringen av lagringskapaciteten som är grunden för Moores lag. Det nya systemet, en gång fulländad, skulle kunna tillhandahålla ett sätt att fortsätta dessa framsteg mot allt tätare datalagring, han säger.

Systemet skulle också potentiellt kunna koda data i mycket höga hastigheter, vilket gör den effektiv inte bara som en ersättning för magnetiska medier som hårddiskar, men även för de mycket snabbare minnessystem som används i Random Access Memory (RAM) för beräkning.

Men det som fortfarande saknas är ett effektivt sätt att läsa ut data när den väl har lagrats. Detta kan göras nu med hjälp av sofistikerad magnetisk röntgenspektroskopi, men det kräver utrustning för komplex och dyr för att vara en del av ett praktiskt datorminnessystem. Forskarna planerar att utforska bättre sätt att få ut informationen igen, som skulle kunna vara praktiskt att tillverka i stor skala.

Röntgenspektrografen är "som ett mikroskop utan linser, " förklarar Buettner, så bilden rekonstrueras matematiskt från insamlad data, snarare än fysiskt genom att böja ljusstrålar med hjälp av linser. Linser för röntgenstrålar finns, men de är väldigt komplexa, och kostar $40, 000 till $50, 000 styck, han säger.

Men ett alternativt sätt att läsa data kan vara möjligt, med ett extra metallskikt som läggs till de andra skikten. Genom att skapa en viss textur på detta tillagda lager, det kan vara möjligt att upptäcka skillnader i lagrets elektriska resistans beroende på om en skyrmion finns eller inte i det intilliggande lagret. "Det är ingen tvekan om att det skulle fungera, " säger Buettner, det är bara en fråga om att ta reda på den tekniska utvecklingen som behövs. Teamet följer denna och andra möjliga strategier för att ta itu med avläsningsfrågan.