Digitalt minne och säkerhet kan omvandlas enligt ny forskning, som för första gången har visat att antiferromagneter enkelt kan kontrolleras och läsas genom att byta riktning för vanliga elektriska strömmar med supersnabb hastighet.

Fysiker vid University of Nottingham, har publicerat ny forskning i den prestigefyllda akademiska tidskriften Naturnanoteknik som visar hur 'magnetisk ordning' för dessa antiferromagneter effektivt kan styras för att skapa en minnesenhet som potentiellt är ett 1, 000 gånger snabbare än nuvarande teknik - en upptäckt som kan omvandla digitalt minne, göra enheter mindre, mycket snabbare, säkrare och energieffektivare.

Ledande forskare Dr. Peter Wadley, från School of Physics and Astronomy vid University of Nottingham sa:"Nyligen i Nottingham visade vi för första gången att antiferromagneter enkelt kan kontrolleras och avläsas med vanliga elektriska strömmar, och därmed demonstrerade den första all-antiferromagnetiska minnesenheten. Denna forskning tar detta ett steg längre och visar ett ännu mer effektivt sätt att styra dem med färre elektriska kontakter. Att använda antiferromagneter i spintronics är inte en stegvis förändring från tidigare metoder utan egentligen ett helt annat bollspel. Detta kan vara enormt viktigt eftersom antiferromagneter har en spännande uppsättning egenskaper, inklusive en teoretisk omkopplingshastighetsgräns som är ungefär 1000 gånger snabbare än den bästa nuvarande minnestekniken. "

Denna nya form av minne kan vara oerhört användbar inom modern elektronik. Antiferromagneter producerar inte magnetfält, vilket innebär att de enskilda elementen kan packas närmare, vilket leder till högre lagringstäthet. Antiferromagnetiskt minne är också okänsligt för magnetfält och strålning vilket gör det särskilt lämpligt för nischmarknader, såsom satellit- och flygelektronik.

Förklarar magnetism

Magnetiska material har varit tekniskt viktiga i århundraden, från kompassen till moderna hårddiskar. Men nästan alla dessa material har tillhört en typ av magnetisk ordning:ferromagnetism. Detta är den typ av magnet som vi alla känner till, från kylskåpsmagneter till tvättmaskinmotorer och datorns hårddiskar. De producerar ett yttre magnetfält som vi kan "känna" eftersom alla de små atommagnetiska momenten som bildar dem gillar att rikta in sig i samma riktning. Det är detta fält som gör att kylskåpsmagneter fastnar och som vi ibland ser kartlagda med järnspån.

Eftersom de saknar ett externt magnetfält är antiferromagneter svåra att upptäcka och fram till nu svåra att kontrollera. Av denna anledning har de hittat nästan inga applikationer. Antiferromagneter producerar inget yttre magnetfält eftersom alla de närliggande beståndsdelarna små atommoment pekar i exakt motsatta riktningar från varandra. Genom att göra det avbryter de varandra och inget externt magnetfält produceras:de kommer inte att hålla sig till kylskåp eller avleda en kompassnål.

Men antiferromagneter är magnetiskt mer robusta och när du byter en antiferromagnet kan det hända ungefär 1000 gånger snabbare än en ferromagnet. Detta kan skapa datorminne som fungerar mycket snabbare än nuvarande minnsteknik.

Hur gjorde de det?

Med en mycket specifik kristallstruktur, CuMnAs, växte i nästan fullständigt vakuum, atomskikt för atomlager - forskargruppen har visat att inriktningen av de ”magnetiska momenten” för vissa typer av antiferromagneter kan styras med elektriska pulser genom materialet.

Dr Wadley fortsätter:"Om du kan kontrollera antiferromagneter rör de sig mycket snabbt. Vi har just visat kontroll med enstaka pikosekund laserpulser, som placerar dem i Terahertz -regimen (~ 1000 gånger snabbare än de bästa kommersiella minnena). Vi har också visat effektiva elektriska medel för att styra dem vid rumstemperatur med hjälp av strömmar av samma ordning som kommersiella minnesenheter. Det betyder att vi kanske inte är så långt från kommersiell tillämpning och har lett till ett stort intresse för forskningsområdet de senaste två åren. "

Påverkan på samhället

Om all denna potential skulle kunna förverkligas, antiferromagnetiskt minne skulle vara en utmärkt kandidat för ett så kallat "universellt minne", ersätta alla andra former av minne i datorer, och omvandla våra elektroniska enheter.

Dr Wadley avslutar:"Med förmågan att kontrollera antiferromagneter är vi närmare än någonsin att kunna tillämpa detta kommersiellt. Antiferromagnetik har potential att konkurrera ut andra former av minne som skulle leda till en ny design av datorarkitektur, enorma hastighetsökningar och energibesparingar. Den extra datorkraften kan ha stora samhälleliga effekter på många områden, inklusive att beräkna tunga områden som cancerforskning och forskning om degenerativa sjukdomar. "