Computers worden zuiniger door sturen van magnetisme

Spintronisch geheugenelement

Met behulp van een kleine stroomstoot kunnen de waterstofionen in het geheugenelement (rood) – en daarmee de magnetiseringsrichting van het geheugenelement – gestuurd worden (afb: MIT)

Onderzoekers van, onder meer, MIT in Cambridge (VS) hebben een methode ontwikkeld om magnetisme te sturen. Daarmee zouden computers en sensoren kunnen worden gebouwd die veel minder energie vergen dan de huidige, is de (hoopvolle) voorspelling van diezelfde onderzoekers.
De onderzoekers ontdekten dat het mogelijk is de magnetische eigenschappen van een dun velletje te sturen met behulp van een kleine spanning. Die magnetische oriëntering blijft intact zonder dat daar energie voor nodig is zoals bij de huidige geheugenchips.
Het is grappig, maar de elektronica lijkt gaandeweg steeds weert tegen fysieke barrières op te lopen, maar het lijkt ook wel alsof er elke keer weer iets wordt verzonnen om die barrières te slechten. Van elektronische apparaten wordt steeds meer verwacht en dat mag steeds minder energie kosten. Een van de veelbelovende alternatieven voor de huidige elektronica is de spintronica, waarbij niet elektrische lading de drijvende/rekenende kracht is maar de elektronspin, een magnetische eigenschap van elektronen. In de spintronica blijven gegevens bewaard zonder dat daar energie voor nodig is. Dat scheelt een stuk in het energieverbruik en dat scheelt weer in de warmteproductie en dus koeling (een bijkomend voordeel).
Waarom zijn we dan niet al lang overgestapt op de spintronica? Problemen, natuurlijk. Een van de grootste is dat er geen eenvoudige manier is om die magnetisch opgeslagen gegevens snel elektrisch te sturen is. Daar schijnt wereldwijd volop onderzoek naar gedaan te worden.
Eerdere pogingen gokten op de elektronen die zich ophoopten op het scheidsvlak van het magnetische metaal en een isolator. Die kunnen de magnetische eigenschappen een klein beetje veranderen, maar te weinig om betekenisvol te zijn. Er zijn ook pogingen gedaan om ionen te gebruiken in plaats van elektronen om het magnetisme van zo’n element te veranderen. Zo zijn er proeven gedaan met zuurstofionen die een dun oxidelaagje op het magnetische materiaal veroorzaken, waardoor de magnetische eigenschappen veranderen. De toevoeging en verwijdering van zuurstofionen zorgt echter voor het opzwellen of inkrimpen van het materiaal en daar gaat het materiaal na een paar herhalingen aan kapot. Ook onbruikbaar, dus.

Waterstofionen

In het huidige onderzoek gebruikten de onderzoekers waterstofionen. Die zijn veel kleiner dan zuurstofatomen en die bewegen zich veel makkelijker in en uit het materiaal dan zuurstofionen. Het nieuwe systeem zou sneller zijn en andere grote voordelen hebben. De waterstofionen veranderen met hun komst of vertrek uit de kristalstructuur van het magnetische element ook de magnetische eigenschappen zonder het materiaal te beschadigen, ook niet na 2000 cycli. Bovendien kunnen waterstofionen (in feite protonen) makkelijk de metaallagen passeren, waardoor ze ook de diepere lagen bereiken.
“Als je waterstof toevoegt draait de magnetisering om”, zegt promovendus Aik Jun Tan van MIT. “Je kunt in feite de magnetisering veranderen in een hoek van 90° door een spanning toe te passen en die verandering is volledig omkeerbaar.” Aangezien je de magnetiseringsrichting gebruikt om informatie op te slaan zou dit betekenen dat je in spintronische systemen makkelijk bits kunt wegschrijven door gebruik te maken van dat effect.
Zijn baas Geoffry Beach ontdekte een aantal jaren geleden de truc met zuurstofionen. “Wat we eigenlijk proberen te bereiken is om een magnetisch analogon van een transistor te maken dat zonder te slijten constant uit- en aangezet kan worden.”

De huidige ontdekking was eigenlijk een toevalstreffer. Tijdens proeven met gelaagde magnetische materialen ontdekte Tan dat de meetresulaten van dag tot dag sterk verschilden. Waardoor was niet duidelijk. Uiteindelijk kwam hij er achter dat dat aan de vochtigheidsgraad lag. Vocht bevorderde de werking. Dat zou komen doordat water zich op het metaaloppervlak splitst in waterstof en zuurstof. Daar zou waterstof geioniseerd worden terwijl de zuurstof in de atmosfeer ‘verdween’. Die waterstofionen veranderden het magnetisme van het geheugenelement.

Dat geheugenelement bestaat uit verschillende dunne lagen, inclusief de kobaltlaag waar het allemaal plaatsvindt. Verder worden er paladium en plantina gebruikt, terwijl het geheel wordt bedekt door een laagje gadoliniumoxide. Dit alles verbonden met een goudraadje, de geleider voor de stroom. Ik vraag me af dat niet al te veel dure materialen bij elkaar zijn.
De magnetische oriëntatie verandert door een minieme spanning. Omkering daarvan vereist geen spanning, maar een kortsluiting tussen de twee uiteinden. Beach: “Aangezien je een stroomstootje gebruikt, kan het energieverbruik aanzienlijk omlaag.”
Voorlopig zullen we nog geen spintronische computers in de winkel te koop zien. Na een magnetisch geheugenelement, zullen de onderzoekers nog magnetische ‘transistoren’ moeten zien te ontwikkelen. “Ik zie de eerste prototypes binnen een paar jaar komen, of eerder”, zegt Beach. Dan heeft hij het over spintronische geheugens. Dan die transistoren nog, de basiselementen van een processor…. Een jaar of tien?

Bron: Science Daily

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.