Op naar de laatste ronde van de magnetische racebaan
Het ziet er naar uit dat magnetische harde schijven in de toekomst zullen worden vervangen door magnetische racebaangeheugens. Onze onderzoekers proberen de fysica van deze racebaanmagie te begrijpen.
Onze harde schijven zijn momenteel verre van duurzaam: ze slijten, ze zijn duur, en ze zijn niet erg energie-efficiënt. Een mogelijke oplossing is een zogenaamd magnetisch racebaangeheugen, waarbij wervelende magnetische structuren voor gegevensopslag rondsuizen op een racebaan van nanogrootte. Er zijn geen bewegende delen, het is energie-efficiënter, en goedkoper. Maar voordat we kaartjes voor de magnetische racebaan kunnen kopen, hebben we een beter begrip nodig van hoe racende magnetische structuren met elkaar reageren. Mariëlle Meijer en haar collega’s van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) voelen zich uitermate geroepen om deze uitdaging aan te gaan.
Magneten doen veel meer dan alleen onze huishoudelijke apparaten versieren met souvenirs. Al jaren zorgen magnetische materialen voor de opslag van onze waardevolle gegevens op harde schijven.
Maar waarom gebruiken we magnetische materialen om gegevens op te slaan? Op de kleinste schaal zijn deze materialen opgebouwd uit domeinen van magnetische spins. Deze spins leiden een binair leven, waarbij ze naar boven of naar beneden kunnen wijzen. Computergegevens, in de vorm van bits of enen en nullen, kunnen dan vrij gemakkelijk worden toegewezen aan deze op- en neerwaartse spins.
In harde schijven op magnetische basis worden de gegevens, die in miljoenen spins zijn opgeslagen, bereikt met behulp van een lees/schrijfkop. Dit leidt echter tot problemen waar Mariëlle Meijer, promovendus bij de faculteit Applied Physics van de TU/e, al snel op wijst.
"Lees- en schrijfkoppen moeten over een schijf bewegen. Daardoor slijten materialen en wordt energie inefficiënt gebruikt," zegt Meijer. "Het zou beter zijn als de kop stil zou staan, en als de magnetische domeinen waarop de gegevens zijn opgeslagen door een elektrische stroom langs de lees/schrijfkop zouden worden gevoerd."
Laten we allemaal naar de racebaan gaan
Als onderdeel van haar onderzoek probeert Meijer de mysteries te ontrafelen van het zogenaamde magnetische racebaangeheugen, een technologie die de afgelopen tien jaar sterk in de belangstelling is komen te staan. Sinds 2017 werkt Meijer in de groep Physics of Nanostructures nauw samen met Reinoud Lavrijsen, evenals met voormalig promotieonderzoeker Juriaan Lucassen.
"Magnetische domeinen met spins die naar boven of naar beneden wijzen is de eenvoudigste manier om aan gegevens in magnetische materialen te denken. Maar andere profielen voor gegevensopslag zijn mogelijk, en kunnen worden gevonden op de wanden tussen de domeinen. Deze staan bekend als magnetische domeinwanden", zegt Meijer.
Racebaangeheugen werkt zo: als er een stroom door een materiaal gaat met magnetische domeinwanden, worden de magnetische domeinwanden door het materiaal bewogen. De stroom van domeinwanden raast dan door de lees/schrijfkop van het geheugenapparaat. "Deze structuren zijn wervelende structuren, wat de racebaan tot een spintronisch apparaat maakt", merkt Meijer op.
Belang van chiraliteit
In spintronische apparatuur is chiraliteit belangrijk. Maar wat betekent dat? Houd je handen maar eens voor je. Je zult merken dat je ze niet precies op elkaar kunt leggen, zelfs niet als je ze roteert of ten opzichte van elkaar beweegt. Dit is chiraliteit.
Magnetische structuren, zoals magnetische domeinwanden, vertonen ook chiraliteit in termen van hoe ze roteren, of dat nu met de klok mee is, of tegen de klok in. Dat is waar chirale magnetische domeinwanden vandaan komen, en op de racebaan is chiraliteit een sleutelfactor in hoe magnetische structuren met elkaar interacteren.
Meijer's werk is één stap verwijderd van pogingen om een functioneel magnetisch racebaangeheugen te bouwen. Ze is geïnteresseerd in het bestuderen van de interacties tussen deze magnetische structuren en wil weten hoe grote veranderingen in deze interacties van invloed zijn op het vermogen van structuren als chirale magnetische domeinwanden om betrouwbaar gegevens op te slaan. "We willen de belangrijkste interacties identificeren die nodig zijn om stabiele structuren te maken, die vervolgens kunnen worden gebruikt om gegevens op te slaan in toekomstige commerciële apparaten", zegt Meijer.
Maar chirale magnetische domeinwanden zijn niet de enige magnetische racebaanstructuren die van belang zijn voor Meijer en haar collega's, die proberen uit te vinden hoe gegevens in deze structuren kunnen worden opgeslagen. Er zijn ook spinspiralen - periodieke magnetische structuren, en de spannend klinkende skyrmionen.
Kun je een skyrmion transformeren?
Een skyrmion, genoemd naar Tony Skyrme, die ze voor het eerst voorlegde in het begin van de jaren zestig, is een wervelende, complexe magnetische structuur. Maar laten we eerlijk zijn - het klinkt meer als een personage uit een superheldenfilm!
Ongecontroleerde transformaties van skyrmionen zijn zeldzaam omdat ze topologisch stabiel zijn. "Denk aan een knoop in een heel lang touw. Het zou heel lang duren om die knoop af te wikkelen of te verwijderen. Je kunt zeggen dat de knoop topologisch stabiel is", legt Meijer uit. "Bij skyrmionen stelt de 'knoop' de gegevens voor, en de topologische stabiliteit betekent dat alleen een heel grote toename van het externe magneetveld of de temperatuur de knoop zou kunnen 'ontrollen' en de gegevens zou kunnen verwijderen.”
Deze topologische stabiliteit maakt skyrmionen, net als chirale magnetische domeinwanden en spin spiralen, ideaal voor gegevensopslag in magnetische racebaangeheugens. Deze structuren roteren, en hoe ze roteren wordt beïnvloed door hun lokale omgeving en beïnvloedt de gegevens die in de structuren zijn opgeslagen. Maar het is pas onlangs duidelijk geworden dat het meten van rotaties belangrijk is.
Wervelende afdrukken
Lange tijd werd aangenomen dat de magnetische structuren tussen de domeinen (de zogenaamde domeinwanden) allemaal op dezelfde manier draaiden, maar dit is onjuist. Nauwkeurige meting van de werveling van deze magnetische structuren is dan ook essentieel.
"Om de rotatie van de wervelende structuren in het lab te meten, hebben we een techniek nodig die een resolutie heeft van 10 tot 20 nanometer - de typische grootte van domeinwanden. Daarom gebruiken we scanning electron microscopy with polarization analysis (SEMPA)", legt Meijer uit.
Bij SEMPA worden de magnetische materialen gescand met een elektronenbundel, wat leidt tot de emissie van secundaire elektronen uit de magnetische materialen. De rotatie van de magnetische domeinwanden wordt op deze secundaire elektronen gedrukt. Rotatie-informatie over de werveling van magnetische structuren wordt dan uit de elektronen geëxtraheerd.
Experimenteren op een vrijdagmiddag
Meijer en haar collega's hebben een aantal grote ontdekkingen gedaan over de interacties tussen roterende magnetische structuren, en deze bevindingen zijn gepubliceerd in prestigieuze tijdschriften als Physics Review Letters (PRL) en ACS Nano Letters.
Maar het is de paper in ACS Nano Letters die een geweldig achtergrondverhaal heeft. Meijer: "Het was een 'vrijdagmiddagexperiment', gewoon een idee, echt een schot in het duister. Marcos Guimarães (voormalig postdoctoraal onderzoeker in dezelfde groep als Meijer) en ik besloten iets uit te proberen en het werkte! Eerlijk gezegd waren we allebei nogal verbaasd.”
In hun 'vrijdagmiddagexperiment' gebruikte het duo plakband om 2D-lagen te strippen van het magnetische materiaal Fe3GeTe2 - een materiaal dat pas een paar jaar geleden werd ontdekt. Vervolgens brachten zij met behulp van SEMPA in beeld hoe de spinspiralen in de 2D-lagen veranderden. Informatie over de interacties tussen naburige spinspiralen zou nuttig kunnen blijken bij de ontwikkeling van toekomstige ultradunne computerapparatuur.
Op naar de laatste ronde
De laatste ronde voor magnetisch racebaangeheugen is een commercieel apparaat dat iedereen, waar dan ook, kan gebruiken om op een efficiënte en supersnelle manier toegang te krijgen tot gegevens.
Meijer zegt echter dat dit tijd zal kosten: "We begrijpen nog steeds niet helemaal hoe de verschillende interacties invloed hebben op de minuscule magnetische structuren voor dataopslag op racebaangeheugen. Aan de TU/e hebben we belangrijke vooruitgang geboekt, maar er is nog zoveel meer uit te zoeken. Het kan nog jaren duren voordat magnetisch racebaangeheugen gemeengoed wordt in onze apparaten. ”
We moeten nog even geduld hebben eer we een magnetisch racebaangeheugen hebben dat gegevens in minder dan tien nanoseconden kan lezen en schrijven.
De race om het magnetische racebaangeheugen is nog niet ten einde.