Op naar een magnetisch racebaangeheugen

Harde schijven zijn momenteel verre van duurzaam: ze slijten, ze zijn duur, en ze zijn niet erg energie-efficiënt. Een mogelijke oplossing is een zogenaamd magnetisch racebaangeheugen, waarbij wervelende magnetische structuren voor gegevensopslag rondsuizen op een racebaan van nanogrootte. Er zijn geen bewegende delen, het is energie-efficiënter, en goedkoper. Maar voordat we kaartjes voor de magnetische racebaan kunnen kopen, hebben we een beter begrip nodig van hoe racende magnetische structuren met elkaar reageren. Mariëlle Meijer en haar collega’s van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) werken hieraan.

In harde schijven op magnetische basis worden de gegevens, die in miljoenen spins zijn opgeslagen, bereikt met behulp van een lees/schrijfkop. Dit leidt echter tot problemen, aldus Meijer, promovendus bij de faculteit Applied Physics van de TU/e: "Lees- en schrijfkoppen moeten over een schijf bewegen. Daardoor slijten materialen en wordt energie inefficiënt gebruikt. Het zou beter zijn als de kop stil zou staan, en als de magnetische domeinen waarop de gegevens zijn opgeslagen door een elektrische stroom langs de lees/schrijfkop zouden worden gevoerd."

Magnetische domeinen met spins die naar boven of naar beneden wijzen is de eenvoudigste manier om aan gegevens in magnetische materialen te denken. Maar andere profielen voor gegevensopslag zijn volgens Meijer ook mogelijk, en kunnen worden gevonden op de wanden tussen de domeinen. "Deze staan bekend als magnetische domeinwanden."

Racebaangeheugen werkt zo: als er een stroom door een materiaal gaat met magnetische domeinwanden, worden de magnetische domeinwanden door het materiaal bewogen. De stroom van domeinwanden raast dan door de lees/schrijfkop van het geheugenapparaat. "Deze structuren zijn wervelende structuren, wat de racebaan tot een spintronisch apparaat maakt."

Belang van chiraliteit

In spintronische apparatuur is chiraliteit belangrijk. Moleculen zijn chiraal als ze op geen enkele manier over elkaar gelegd kunnen worden, terwijl ze elkaars spiegelbeeld zijn. Magnetische structuren, zoals magnetische domeinwanden, vertonen ook chiraliteit in termen van hoe ze roteren, of dat nu met de klok mee is, of tegen de klok in. Dat is waar chirale magnetische domeinwanden vandaan komen, en op de racebaan is chiraliteit een sleutelfactor in hoe magnetische structuren met elkaar interacteren.

Meijer’s werk is één stap verwijderd van pogingen om een functioneel magnetisch racebaangeheugen te bouwen. Ze is geïnteresseerd in het bestuderen van de interacties tussen deze magnetische structuren en wil weten hoe grote veranderingen in deze interacties van invloed zijn op het vermogen van structuren als chirale magnetische domeinwanden om betrouwbaar gegevens op te slaan. "We willen de belangrijkste interacties identificeren die nodig zijn om stabiele structuren te maken, die vervolgens kunnen worden gebruikt om gegevens op te slaan in toekomstige commerciële apparaten", zegt ze.

Maar chirale magnetische domeinwanden zijn niet de enige magnetische racebaanstructuren die van belang zijn voor Meijer en haar collega’s, die proberen uit te vinden hoe gegevens in deze structuren kunnen worden opgeslagen. Er zijn ook spinspiralen – periodieke magnetische structuren, en de spannend klinkende skyrmionen.

Kun je een skyrmion transformeren?

Een skyrmion is een wervelende, complexe magnetische structuur. Ongecontroleerde transformaties van skyrmionen zijn zeldzaam omdat ze topologisch stabiel zijn. "Denk aan een knoop in een heel lang touw. Het zou heel lang duren om die knoop af te wikkelen of te verwijderen. Je kunt zeggen dat de knoop topologisch stabiel is", legt Meijer uit. "Bij skyrmionen stelt de ‘knoop’ de gegevens voor, en de topologische stabiliteit betekent dat alleen een heel grote toename van het externe magneetveld of de temperatuur de knoop zou kunnen ‘ontrollen’ en de gegevens zou kunnen verwijderen."

Deze topologische stabiliteit maakt skyrmionen, net als chirale magnetische domeinwanden en spin spiralen, ideaal voor gegevensopslag in magnetische racebaangeheugens. Deze structuren roteren, en hoe ze roteren wordt beïnvloed door hun lokale omgeving en beïnvloedt de gegevens die in de structuren zijn opgeslagen. Maar het is pas onlangs duidelijk geworden dat het meten van rotaties belangrijk is.

Wervelende afdrukken

Lange tijd werd aangenomen dat de magnetische structuren tussen de domeinen (de zogenaamde domeinwanden) allemaal op dezelfde manier draaiden, maar dit is onjuist. Nauwkeurige meting van de werveling van deze magnetische structuren is dan ook essentieel.

"Om de rotatie van de wervelende structuren in het lab te meten, hebben we een techniek nodig die een resolutie heeft van 10 tot 20 nanometer – de typische grootte van domeinwanden. Daarom gebruiken we scanning electron microscopy with polarization analysis (Sempa)."

Voorbeeld van een Sempa-afbeelding.  

Bij Sempa worden de magnetische materialen gescand met een elektronenbundel, wat leidt tot de emissie van secundaire elektronen uit de magnetische materialen. De rotatie van de magnetische domeinwanden wordt op deze secundaire elektronen gedrukt. Rotatie-informatie over de werveling van magnetische structuren wordt dan uit de elektronen geëxtraheerd.

Op naar de laatste ronde

De laatste ronde voor magnetisch racebaangeheugen is een commercieel apparaat dat iedereen, waar dan ook, kan gebruiken om op een efficiënte en supersnelle manier toegang te krijgen tot gegevens. Meijer zegt echter dat dit tijd zal kosten: "We begrijpen nog steeds niet helemaal hoe de verschillende interacties invloed hebben op de minuscule magnetische structuren voor dataopslag op racebaangeheugen. Aan de TU/e hebben we belangrijke vooruitgang geboekt, maar er is nog zoveel meer uit te zoeken. Het kan nog jaren duren voordat magnetisch racebaangeheugen gemeengoed wordt in onze apparaten. "