Magnetische dataopslag op chip presteert beter op ‘nette’ grensvlakken

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters.

In datacenters verschijnt weliswaar steeds vaker de snelle en volledig elektronische solid-state dataopslag (SSD), maar magnetische opslag heeft het voordeel dat de informatie ook zonder spanning bewaard blijft. En het is beduidend goedkoper. Disks en tapes zijn daarom nog niet weg te denken. Het mooiste zou zijn als je de voordelen van elektronisch schrijven en lezen, zoals bij een SSD, kunt combineren met magnetische opslag. De prestaties hangen sterk af van wat er aan het grensvlak van twee materialen gebeurt, laten de UT-onderzoekers zien. Zij hebben vier typische combinaties van materialen onderzocht op de verliezen die kunnen optreden.

Spinstroom

Het ene materiaal is bijvoorbeeld een stroomgeleider, het ander is magnetisch. Elektronen transporteren hun lading door de geleider. Bovendien is hun spin-stroom vanuit de geleider naar het magnetisch materiaal te koppelen. De spin kan plaatselijk het magnetisch materiaal doen omklappen en zo een ‘1′ of een ‘0′ schrijven. Het magnetische materiaal neemt daarbij de spinstroom over van de stroomgeleider. Er is ook een variant mogelijk van een ‘sandwich’ van twee magnetische lagen met een niet-magnetische laag ertussen. Het zijn verschillende mogelijkheden om een magnetic random access geheugen (MRAM) te realiseren.

Nette aansluiting

Het onderzoek geeft meer inzicht in spin memory loss, waarbij je de spinstroom aan het grensvlak kwijtraakt. Dit verlies is de afgelopen jaren uitgebreid onderzocht, maar het gros van de experimenten is uitgevoerd bij zeer lage temperaturen. En die temperatuur maakt het verschil, zeker voor sommige magnetische materialen, zo laten de nieuwe simulaties zien.

De rekenmodellen gaan uit van de kwantummechanische beschrijving, met scattering theory en het golfgedrag van elektronen. Bij stijgende temperaturen gaan de atomen steeds meer trillen, waardoor de ordening in het kristal verschuift. Dat heeft gevolgen voor het grensvlak tussen stroomgeleider en magnetisch materiaal, en daarmee ook voor de overdracht van de spin-informatie van het ene naar het andere materiaal. Bovendien blijkt dat, bij materialen met een heel verschillende kristalstructuur, de ‘nette’ aansluiting van het ene kristal op het andere doorslaggevend is. Een mismatch zorgt voor een grotere spin memory loss.

2D materialen

Meer fundamentele kennis kan helpen bij het kiezen van de optimale combinatie van materialen en fabricagetechnologie, om de materialen zo goed mogelijk op elkaar te laten aansluiten. De onderzoekers gaan hun methodiek ook toepassen op de nieuwe generatie tweedimensionale magnetische materialen.