Onderzoekers van CRANN (The Centre for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices) en de School of Physics van Trinity College Dublin hebben vandaag aangekondigd dat eenmagnetisch materiaalontwikkeld in het Centrum laat de snelste magnetische omschakeling ooit zien.
Het team gebruikte femtoseconde-lasersystemen in het Photonics Research Laboratory van CRANN om de magnetische oriëntatie van hun materiaal binnen biljoensten van een seconde te schakelen en vervolgens opnieuw te schakelen. Dat is zes keer sneller dan het vorige record en honderd keer sneller dan de kloksnelheid van een pc.
Deze ontdekking toont aan dat het materiaal potentieel heeft voor een nieuwe generatie energiezuinige, ultrasnelle computers en gegevensopslagsystemen.
De onderzoekers bereikten hun ongekende schakelsnelheden in een legering genaamd MRG, die de groep in 2014 voor het eerst synthetiseerde uit mangaan, ruthenium en gallium. In het experiment bestookte het team dunne films van MRG met flitsen van rood laserlicht, wat in minder dan een miljardste van een seconde een vermogen van megawatt opleverde.
De warmteoverdracht verandert de magnetische oriëntatie van MRG. Het duurt een onvoorstelbaar snelle tiende van een picoseconde om deze eerste verandering te bewerkstelligen (1 ps = een biljoenste van een seconde). Maar belangrijker nog: het team ontdekte dat ze de oriëntatie 10 biljoenste van een seconde later weer terug konden draaien. Dit is de snelste omschakeling van de magnetische oriëntatie die ooit is waargenomen.
Hun resultaten worden deze week gepubliceerd in het toonaangevende natuurkundetijdschrift Physical Review Letters.
De ontdekking zou nieuwe wegen kunnen openen voor innovatieve computer- en informatietechnologie, gezien het belang vanmagnetisch materiaals in deze sector. Verborgen in veel van onze elektronische apparaten, evenals in de grootschalige datacenters in het hart van het internet, lezen en bewaren magnetische materialen de data. De huidige informatie-explosie genereert meer data en verbruikt meer energie dan ooit tevoren. Het vinden van nieuwe energiezuinige manieren om data te manipuleren, en de bijbehorende materialen, is een wereldwijde onderzoeksfocus.
De sleutel tot het succes van de Trinity-teams was hun vermogen om de ultrasnelle omschakeling te realiseren zonder magnetisch veld. Traditioneel schakelen met een magneet gebruikt een andere magneet, wat zowel energie als tijd kost. Met MRG werd de omschakeling gerealiseerd met een warmtepuls, gebruikmakend van de unieke interactie van het materiaal met licht.
Trinity-onderzoekers Jean Besbas en Karsten Rode bespreken een van de onderzoeksrichtingen:
“Magnetisch materiaals hebben inherent geheugen dat gebruikt kan worden voor logica. Tot nu toe was het overschakelen van de ene magnetische toestand 'logische 0' naar de andere 'logische 1' te energieverslindend en te traag. Ons onderzoek richt zich op snelheid door aan te tonen dat we MRG in 0,1 picoseconde van de ene toestand naar de andere kunnen overschakelen en, cruciaal, dat een tweede omschakeling slechts 10 picoseconden later kan volgen, wat overeenkomt met een operationele frequentie van ~ 100 gigahertz – sneller dan alles wat eerder is waargenomen.
“De ontdekking benadrukt het bijzondere vermogen van onze MRG om licht en spin effectief te koppelen, zodat we magnetisme met licht en licht met magnetisme kunnen controleren op tot nu toe onhaalbare tijdschalen.”
Professor Michael Coey van Trinity's School of Physics en CRANN zei het volgende over het werk van zijn team: "Toen mijn team en ik in 2014 voor het eerst aankondigden dat we een compleet nieuwe legering van mangaan, ruthenium en gallium hadden gecreëerd, bekend als MRG, hadden we nooit vermoed dat het materiaal dit opmerkelijke magneto-optische potentieel had.
Deze demonstratie zal leiden tot nieuwe apparaatconcepten gebaseerd op licht en magnetisme die kunnen profiteren van aanzienlijk hogere snelheid en energie-efficiëntie. Uiteindelijk kan dit wellicht leiden tot de realisatie van één universeel apparaat met gecombineerde geheugen- en logische functionaliteit. Het is een enorme uitdaging, maar we hebben een materiaal laten zien dat dit mogelijk maakt. We hopen financiering en samenwerking met de industrie te verkrijgen om ons werk voort te zetten.
Plaatsingstijd: 5 mei 2021