Snelle en zuinige dataopslag met licht ‘doorbraak naar toekomstig fotonisch geheugen’

Gegevens worden op een harde schijf opgeslagen in de vorm van bits, minuscule magnetische domeinen met een noordpool en een zuidpool. De magnetisatie (richting van de polen) bepaalt of de bits een digitale 0 of een 1 bevatten. Het schrijven van de gegevens wordt bereikt door de richting van de magnetisatie van de bijbehorende bits om te schakelen.

Synthetische ferrimagneten

Conventioneel vindt het schakelen plaats door een extern magnetisch veld aan te leggen, die de richting van de polen ofwel omhoog (1) of omlaag (0) dwingt. Een alternatief is om het schakelen optisch te doen, door gebruik te maken van een femtoseconde laserpuls. Hiermee kan de opslag van gegevens potentieel sneller en efficiënter gebeuren.

"Optisch schakelen voor dataopslag is al ongeveer een decennium bekend", zegt onderzoeker Mark Lalieu. "Het schakelen van de magnetisatie in materialen die conventioneel gebruikt worden in de spintronica vereist echter meerdere laserpulsen en dus kost het schrijven teveel tijd en energie." Lalieu heeft het optisch schakelen gerealiseerd in synthetische ferrimagneten. Dit lukte met een enkele femtoseconde laserpuls, waardoor het schrijven van gegevens energiezuinig en snel gebeurt.

Lalieu: "Deze manier van schakelen is ongeveer 100 tot 1000 keer sneller dan wat mogelijk is met de technologie van vandaag. Bovendien, omdat de optische informatie wordt opgeslagen in magnetische bits zonder dat hierbij energieverslindende elektronica nodig is, heeft dit enorme potentie voor toekomstig gebruik in fotonische computerchips."

Het ‘on-the-fly’ schrijven van gegevens in een racetrack geheugen. De magnetische bits (enen en nullen) worden geschreven door laserpulsen (rode puls, linkerkant). Deze bewegen vervolgens over de racetrack (zwarte pijlen). In de toekomst kan de data mogelijk ook weer optisch worden uitgelezen (rode puls, rechterkant).

Bovendien combineerde Lalieu het optisch schakelen met het zogenoemde racetrackgeheugen. In dit systeem worden magnetische bits continu met licht opgeslagen en onmiddellijk langs de draad getransporteerd door de elektrische stroom, waardoor ruimte vrijkomt voor lege magnetische bits en dus nieuwe gegevens worden opgeslagen.

Hoogleraar Bert Koopmans: "Dit ‘on the fly’ kopiëren van informatie tussen licht en magnetische racebanen, zonder tussenliggende elektronische stappen, is als het heen en weer springen tussen twee rijdende hogesnelheidstreinen, in plaats van dat je moet overstappen op een station. Je kunt je voorstellen hoeveel sneller en energiezuiniger dat is."

En daarna?

Dit onderzoek werd gedaan met microdraden. In de toekomst moet verkleind worden naar de nanoschaal om beter te kunnen samengaan met computerchips. Om de integratie van een fotonisch computergeheugen compleet te maken werkt de onderzoeksgroep Physics of Nanostructures ook aan het optisch uitlezen van de (magnetische) data.