'Ratelgeheugen', nieuw computergeheugen door nanotechnologie

Onderzoekers van de Stichting FOM en de Technische Universiteit Eindhoven zijn erin geslaagd om een 'magnetic domain-wall ratchet' geheugen te maken, een computergeheugen dat is opgebouwd uit bewegende bits van gemagnetiseerde gebiedjes. Dit geheugen biedt potentieel vele voordelen ten opzichte van gangbare harde schijven, zoals een hogere snelheid, lager stroomverbruik en veel langere levensduur.

Met geconcentreerde ionenbundels hebben de onderzoekers de magnetische draden waardoor bits zich bewegen, beïnvloed en is het gelukt de bits op nanometerschaal te controleren en vervolgens een nieuw geheugen te bouwen. 

De bits in een nanodraad zijn voor te stellen als gebiedjes die twee mogelijke magnetische richtingen kunnen hebben, een 0 of een 1. Normaal gesproken worden alle bits tegelijk op 0 of 1 gezet bij de aanleg van een , omdat ze als kompasnaalden omklappen. De onderzoekers hebben nu aangetoond dat coherente verplaatsing van bits toch mogelijk is zonder dat er informatie verloren gaat. Deze manier van magnetisch datatransport is radicaal anders dan in huidige computers, waar ronddraaiende magnetische schijven mechanisch verplaatst worden om gegevens te adresseren.

Zaagtand

Door de ionenbeschieting op een slimme manier te variëren over een nanodraad ontstaat een repeterend, zaagtandvormig energielandschap. Deze asymmetrische zaagtand is cruciaal: het dwingt een domeinwand, het grensvlak tussen de bits, om in één richting te bewegen bij een wisselend magneetveld. Door het wisselende magneetveld keert de kracht op de domeinwand steeds om en wordt deze beurtelings over de helling geduwd, om vervolgens teruggeduwd te worden tegen de scherpe rand (zie figuur 1).

Na één cyclus van het magneetveld zijn twee domeinwanden precies één positie opgeschoven. Deze netto verplaatsing van een bit zou zonder zaagtandpotentiaal onmogelijk zijn! Figuur 2 toont ook het eerste experiment met een cirkelvormige magnetische draad: twee domeinwanden bewegen onder invloed van een wisselend magneetveld tegen de wijzers van de klok in. Door een cirkel te gebruiken kunnen de domeinwanden altijd ronddraaien en blijven de bits behouden. Dit eenrichtingsverkeer van de domeinen is een beweging die doet denken aan een ratel of ‘ratchet'.

Unieke kansen

De Eindhovense vondst biedt unieke kansen voor de ontwikkeling van alternatieve geheugenconcepten. Na de proof-of-principle experimenten richten de wetenschappers zich op een volgende generatie ratchet, die gebaseerd zal zijn op radicaal nieuwe effecten, zoals via het gebruik van spinstromen die gegenereerd worden in de aangrenzende niet-magnetische lagen of door de beïnvloeding van de domeinwandbeweging met elektrische velden. Dit zijn boeiende uitdagingen op het grensvlak van fundamentele wetenschap en nanotechnologie.