Magnetische opslag met licht, zonder hitte

Betrouwbare, goedkope, en snelle dataopslag is voor de economie van de eenentwintigste eeuw wat olie was voor de vorige. Magnetische opslag doet het wat dat betreft uitstekend, alleen zorgt de snel toenemende vraag voor opslag in de cloud – al ons Facebook- en Whatsappverkeer bijvoorbeeld – ervoor dat datacenters oververhit raken en er veel energie nodig is om hun processoren te koelen. De nieuwste methode om data op te slaan, de Heat Assisted Magnetic Recording of HAMR, zal dat probleem niet oplossen. Deze techniek gebruikt extra warmte om dataopslag sneller te maken is door verwarming met een laser en een magnetische veld van een elektromagneet. Supersnelle magnetische opslag zónder hitte te produceren en zonder elektromagneten is dan ook een grote uitdaging voor fundamenteel en toepast magnetismeonderzoek.

Exotisch idee werkt wel degelijk

Al meer dan tien jaar zoeken onderzoekers van de Radboud Universiteit naar manieren om licht te gebruiken om magnetisatie te beïnvloeden, wat professor Theo Rasing en zijn collega’s in 2007 voor het eerst lukte. Aanvankelijk gebruikten ze metalen, waarbij het omzetten van de magnetisatierichting (een bit van een 0 in een 1 veranderen) werd bereikt door de warmte die door de laserpuls werd geproduceerd. Probleem daarbij was de temperatuur zo hoog werd dat die dicht bij de zogenoemde Curie-temperatuur kwam. Boven deze temperatuur verdwijnt de magnetische ordening van een materiaal – en daarmee dus ook de opgeslagen data… Interessante natuurkunde maar praktisch niet makkelijk toepasbaar.

De volgende stap in de zoektocht werd dan ook die naar een materiaal waarin licht de magnetisatie kon veranderen zonder hitteproductie – een idee dat aanvankelijk nauwelijks te financieren was omdat het plan te exotisch leek. Met de publicatie in Nature krijgt de volhardende Alexey Kimel, natuurkundige aan de Radboud Universiteit, gelijk: het kán wel.

Geen metaal maar granaat

"We zochten een materiaal dat weinig licht absorbeert. We hadden een diëlektrisch materiaal nodig, want hierin zijn geen vrije elektronen die lichtenergie opnemen zoals in een metaal. We zijn dus begonnen met experimenten in granaat: yttrium-ijzergranaat wordt veel als model gebruikt in magneetonderzoek. Maar het bleek ongeschikt voor dataopslag met licht – het effect van licht was te klein. Daarom hebben we de gevoeligheid vergroot door kobalt-ionen aan het kristal toe te voegen."

 

Kobaltgranaat is een glasachtig, transparant materiaal. De onderzoekers gebruiken kleine stukjes voor hun experimenten

Kobaltionen hebben een sterke spin-orbit-interactie. Dat is de koppeling van het magnetisch moment aan de rondgaande beweging van de elektronen. Licht kan deze rondgaande beweging verstoren en daarmee de magnetisatie beïnvloeden. Het effect is zo sterk dat de onderzoekers met een enkele laserpuls van 40 femtoseconde (1 femtoseconde is gelijk aan 10^-15 seconde of een miljoenste van een biljardste van een seconde) de magnetische spins konden ompolen: de onderzoekers konden gecontroleerd nullen en enen schrijven op de granaatfilm en die ook weer uitlezen in minder dan twintig picoseconde (1 picoseconde is gelijk aan 10^-12 seconde of een miljoenste van een miljoenste seconde). Hierbij kwam praktisch geen warmte vrij.  De onderzoekers legden het proces vast met hun ultrasnelle camera.

Toepassing in data centers en supercomputers

Alexey Kimel denkt niet dat zijn vinding snel zal worden toegepast in gewone computers, daarvoor is de overstap van metallische opslagmaterialen naar granaatfilm te groot. Wel zou het interessant kunnen zijn voor de grote data-opslagcentra van Google en Facebook en dergelijke, én voor de opslag bij de lage temperaturen waarop supergeleiding elektronica en kwantumcomputers waarschijnlijk zullen werken. Het ontbreken van een geheugensysteem dat kan werken op temperaturen lager dan 10 Kelvin (-263 graden Celcius) en op hoge snelheid was tot nu toe een van hardnekkige obstakels voor supergeleiding computing.

"Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in transparent medium", A. Stupakiewicz, K. Szerenos, D. Afanasiev, A. Kirilyuk en A. V. Kimel, Nature, 18 January 2017, doi:10.1038/nature20807