Ultrasnel schakelen van magnetische elementen
Onderzoekers van de Stichting FOM, de Katholieke Universiteit Nijmegen en Siemens zijn erin geslaagd om met behulp van zeer korte en sterke magneetveldpulsen de magnetisatierichting van een zogeheten magnetisch element binnen 0,2 nanoseconden coherent (in één klap) om te klappen. De richting van de magnetisatie wordt bepaald door de zogeheten spin van elk afzonderlijk atoom in het magnetische element. In het experiment in Nijmegen ging het om 10 miljard van die spins en die klapten dus binnen 0,2 nanoseconden allemaal tegelijk om. Dit resultaat is van groot belang voor de dataopslagindustrie. Met computers die steeds sneller berekeningen kunnen doen, moeten ook de uitkomsten steeds sneller kunnen worden opgeslagen. De oplossing bieden magnetische RAM's: ze zijn zeer snel en raken hun gegevens niet kwijt. De omklaptijd van minder dan 0,2 nanoseconden komt overeen met een schakelfrequentie van meer dan 5 gigahertz.
Computers worden steeds sneller en de daarmee verbonden hoeveelheid data wordt steeds meer. Een 2 GHz processor kan bijvoorbeeld twee miljard berekeningen per seconde uitvoeren; zo snel mogelijk wegschrijven van de data is dan van groot belang.
Tegenwoordige technieken voor dataopslag in een gewone computer zijn RAM (random access memory) en de harde schijf. De harde schijf slaat gegevens op en kan deze over een heel lange periode onthouden, maar de opslagsnelheid van een harde schijf is klein vergeleken met het RAM (een harde schijf bevat langzame mechanische onderdelen). Het RAM heeft echter het nadeel dat het zijn geheugen veel te snel (in een paar milliseconden) verliest. De oplossing is dus een snel geheugenelement, dat ook zijn gegevens niet kwijt raakt: het M-RAM (magnetic-RAM). Net als het RAM bestaat het M-RAM uit een matrix van geheugenelementen (zie figuur 1).
De elementen in het M-RAM zijn geen transistors, maar twee magnetische laagjes met een tussenlaag. Door middel van de tunnel-magnetoweerstand (TMR) kan de toestand van deze magnetische lagen bepaald worden zonder mechanische onderdelen te gebruiken. Dit werkt als volgt. Eén laag is de zogenoemde harde laag, waarin de magnetisatie niet van richting verandert als een magneetveld wordt aangelegd. De andere magnetische laag is de zachte laag, waarin de richting van de magnetisatie om en om naar boven en naar beneden wordt geschakeld. De tunnelweerstand hangt nu af van de relatieve oriëntatie van de twee magnetisaties. Vallen de richtingen samen, dan is de tunnelweerstand anders dan wanneer de richtingen tegengesteld zijn. Het ene geval kan voorgesteld worden met een bit-toestand 0, het andere met 1. Een verandering in de tunnelweerstand geeft dus de verandering van de bit-toestand aan.
De snelheid waarmee men een magnetisch geheugen kan schakelen, hangt dus af van de snelheid waarmee de magnetisatierichting van de zachte laag kan worden veranderd. Hoe dit gaat, wordt in het onderzoeksinstituut voor materialen RIM in Nijmegen onderzocht.
De magnetisatie van een element wordt gegeven door de individuele spins van elk atoom. In de experimenten in Nijmegen zijn dat er 10 10 , dus 10 miljard spins die interacties tussen elkaar vertonen en gezamenlijk snel geschakeld moeten worden. Een magnetische spin kan gezien worden als een draaitol. Krijgt een draaitol een tik loodrecht op zijn draaias, dan begint hij te draaien - de precessie. Voor een magnetische spin kan de tik gegeven worden door een korte magnetisch veldpuls. Als deze tik maar sterk genoeg is, kan dat tot een omklappen van de spin zorgen. Als dat met de hele magnetisatie gebeurt, is dat een verandering van de binaire informatie (van 0 naar 1 of andersom).
Het omkeren van de magnetisatie mag op het eerste gezicht simpel lijken. Een stroom door de geleider veroorzaakt een magneetveld en de magnetisatie draait in de richting van het aangelegde veld. Dit kan, maar dat gaat veel te langzaam. Door het veld antiparallel aan de oorspronkelijke magnetisatie te leggen, draaien de spins niet coherent (allemaal tegelijk). Dat heeft tot gevolg dat door thermische en interne fluctuaties domeinen kunnen ontstaan, gebiedjes waarbinnen de spinrichting afwijkt van die in de omgeving. Tussen de domeinen in ontstaan domeinwanden, die zich maar langzaam verplaatsen. Bovendien kan met behulp van deze methode de verandering in de spins niet gestuurd worden. Een coherente draaiing van alle spins kan bij voorbeeld verkregen worden door het veld loodrecht op de magnetisatie aan te leggen. Figuur 3 laat de twee mogelijke bewegingen zien.
Wanneer het element nu uniforme eigenschappen tijdens de draaiing heeft, draaien alle spins tegelijk (coherent). Een probleem hierbij is dat de energie door de precessiedraaiing uit het systeem gehaald moet worden. Normaal gebeurt dit via interne dempingsprocessen (wrijving). Dit duurt lang vergeleken met de schakeltijd en het kan ook ongewenst terugklappen van de hele magnetisatie veroorzaken. Een manier om de coherent draaiende spins te stoppen is het manipuleren van het magneetveld in de tijd. Het veld wordt uitgeschakeld zodra de magnetisatie zich langs een energieminimum bevindt en de spins geen koppel meer ondervinden, dus de draaiing van de magnetisatie stopt. De energie die in de precessiebeweging zit opgeslagen, wordt dan terug de geleider ingevoerd. Afgezien van het verlies vanwege de wrijving die tijdens de draaiing ontstaat, is er netto geen energie nodig om het systeem om te laten klappen.
Met behulp van de experimentele opstelling in Nijmegen kunnen de onderzoekers sterke en zeer korte magneetveldpulsen maken. Recente experimenten hebben nu de coherente draaiing van de magnetisatie aangetoond. Experimenteel konden de onderzoekers Thomas Gerrits, Hugo van den Berg, Julius Hohlfeld, Ludwig Bär en Theo Rasing als eersten de tijd bepalen waarbinnen de coherente draaiing van de magnetisatie een feit was: korter dan 0,2 nanoseconde (ofwel 200 picoseconden). Verder konden de onderzoekers de magnetisatiebeweging controleren door de veldpuls tijdig uit te schakelen. Figuur 4 laat de meting zien.
De schakeltijd is ongeveer 200 picoseconden, wat overeenkomt met een schakelfrequentie van 5 GHz. De schakeltijd wordt het sterkst beïnvloed door de veldpuls. Een korte stijgtijd met hoge veldintensiteit geeft een hoge schakelfrequentie. De Nijmeegse methode kan in principe leiden tot schakeltijden van onder de honderd picoseconden.
Meer informatie: e-mail: thg@sci.kun.nl; telefoon: (024) 365 30 94.