Supersnel schrijven met licht

Zijn proefschrift lijkt een ouderwetse Engelse tabloid. De Spintronic Chronicle kopt met chocoladeletters ‘Quick as a Flick’ en verhaalt op ludieke wijze over femtomagnetisme, fotonica en spin-transport. Een slimme manier om zware bèta-kost voor het grote publiek interessant te maken? “Meer een prettige bijkomstigheid” vertelt Youri van Hees. Op 7 december verdedigde hij zijn proefschrift bij de faculteit Applied Physics. Naast onderzoeker-op-de-nanometer is hij groot muziekliefhebber en sinds jaar en dag fan van de progressieve rockband Jethro Tull. “Mijn favoriete album Thick as a Brick werd precies vijftig jaar geleden uitgebracht. De cover van mijn proefschrift is een knipoog naar hun album, dat verpakt zat in een satirische uitgave van een niet-bestaand lokaal sufferdje. Toch was het erg leerzaam om voor niet-natuurkundigen mijn onderzoek op een aansprekelijke manier op te schrijven. Pas dan merk je hoe zeer je met bepaalde terminologie vergroeid bent.”

Hoewel zijn cover misschien de meeste aandacht trekt, is de inhoud minstens zo interessant. Van Hees is de afgelopen vier jaar druk in de weer geweest met femtosecond lasers, spiegeltjes en dunne magnetische laagjes. En met resultaat, want dankzij zijn onderzoek is het schrijven van data op een magnetisch geheugen met behulp van licht weer een stap dichterbij. Belangrijk voor datacentra, die licht graag willen gaan gebruiken als meest energie-efficiënte manier om informatie te verzenden. Van Hees: “Magneten worden al heel lang gebruikt om data op te slaan. Dat gebeurt in de vorm van bits - de bekende nullen en enen - een soort mini-magnetische domeintjes met een noordpool en zuidpool. Een verandering in de richting van de polen resulteert in het schrijven van gegevens. Die richtingsverandering gebeurt nu door een magnetisch veld aan te leggen. In de harde schijf van je laptop zit bijvoorbeeld een kleine spoel waar je magnetische domeintjes mee kunt schrijven. Tot nu toe is daar altijd een elektronische tussenstap voor nodig, want die spoel moet aangestuurd worden. Dat proces kost extra tijd en energie.”

Nano-sandwich

Door met een ultrakorte laserpuls - Van Hees: “nog kleiner dan een biljoenste seconde” - op magnetisch materiaal te schieten zag hij dat er niet alleen lokaal iets gebeurde, maar dat het ook elektronen kan laten bewegen, die magnetische informatie met zich mee dragen. Van Hees zette enkele korte lichtpulsen als een soort treintjes achter elkaar en gebruikte dit om met allerlei spiegeltjes de magnetische materialen te beïnvloeden. “Met deze hele snelle lichtpulsen konden we al de noord- en zuidpool van de magnetische domeintjes wisselen, waardoor de elektronische tussenstap overbodig wordt. Nu is het ook mogelijk om van tevoren zeker te weten dat je een '0' of '1' gaat schrijven, zonder de begintoestand van de bit te hoeven weten. Dat maakt het nog efficiënter. Ook hebben we onderzocht welke magnetische materialen we moeten gebruiken om met deze nieuwe lichtmethode stabiele bits te krijgen. De standaard sandwichformule van laagjes kobalt en gadolinium kunnen we hiermee niet gebruiken om stabiel data op te slaan. Een extra atoomlaagje van het ferromagnetische metaal terbium eroverheen werkt echter heel goed. Wel moeten we nog op zoek naar de juiste balans. Want hoewel we nu stabiele bits hebben, gaat het schakelen van de magnetisatie dan weer net iets minder efficiënt.”

Gebroken spiegel

Kunnen we nu een snelle doorbraak verwachten van fotonische dataopslag? Volgens Van Hees is het schrijven van data met licht op labniveau mainstream aan het worden, en houdt de chip-industrie dergelijke onderzoeken dan ook nauwlettend in de gaten. Maar, voegt hij lachend toe: “Om onze laserpulsen te genereren is nu nog een kast nodig van 60x30x30 cm. Het gaat nog wel even duren om dat in een broekzak te krijgen.”

Dat het minimaliseren er soms hardhandig aan toe gaat, valt ook te lezen in een kort berichtje op de achterkant van zijn krantencover, rechts onder de non-collineaire puzzel. Een waargebeurd verhaal, licht Van Hees toe. “We hadden een speciaal spiegeltje besteld voor onze opstelling, maar deze bleek te groot waardoor het niet paste. Ook natuurkundigen raken wel eens gefrustreerd, dus wat bedenk je dan? Samen met een collega zijn we de spiegel met een schroevendraaier te lijf gegaan. Het werkte in de zin van kleiner worden, maar echt bruikbaar was het daarna niet meer te noemen.”

Titel van PhD-thesis: Quick as a flick: All-optical control over ultrafast magnetization writing and spin transport. Promotors: B. Koopmans en R. Lavrijsen.

Bron: Cursor.