Tien keer zuiniger geheugen dankzij nieuw magnetisch 2D-materiaal

Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden hebben iets gevonden om het energieverbruik van geheugenchips drastisch te verlagen. Ze ontwikkelden een atoomdun materiaal waarin twee tegengestelde magnetische krachten – ferro- en antiferromagnetisme – in één structuur kunnen bestaan. Dat maakt het mogelijk om geheugen te bouwen dat tot tien keer minder energie verbruikt dan huidige technologie.

Geheugenmodules zijn cruciale onderdelen van vrijwel alle moderne apparaten – van smartphones en AI-systemen tot industriële computers en voertuigen. Ze gebruiken echter veel energie, vooral bij het voortdurend schakelen van magnetische toestanden in het opslagmateriaal. In de nieuwe, gelaagde kristalstructuur van Chalmers werken ferromagnetische en antiferromagnetische eigenschappen samen. Hierdoor ontstaat een lichte ‘kanteling’ in de magnetische oriëntatie, waardoor elektronen zonder extern magneetveld kunnen schakelen. Dat levert een tienvoudige reductie in stroomverbruik op.

“Deze co-existentie van magnetische orden in één atoomlaag is een echte doorbraak,” zegt Dr. Bing Zhao, onderzoeker in quantumdevicefysica aan Chalmers. “Het opent de weg naar uiterst efficiënte geheugenchips voor AI, mobiele technologie en dataverwerking.”

Eenvoudiger te produceren

Het nieuwe materiaal, een legering van kobalt, ijzer, germanium en tellurium, wordt opgebouwd uit lagen die met van der Waals-krachten aan elkaar hechten. Daardoor zijn er geen lastige chemische bindingsinterfaces nodig, zoals bij conventionele multilayer-systemen. Volgens onderzoeksleider prof. Saroj P. Dash maakt dat het materiaal veel eenvoudiger te fabriceren en betrouwbaarder in gebruik. “We hebben in feite een perfect voorgeassembleerd magnetisch systeem,” zegt hij. “Dat scheelt niet alleen energie, maar ook complexiteit in de productie.”

Potentie voor AI en datacenters

De ontdekking kan grote gevolgen hebben voor toepassingen waar dataverwerking en -opslag samenkomen, zoals AI-chips, mobiele apparaten en datacenters. Naar verwachting zal het wereldwijde dataverkeer binnen enkele decennia verantwoordelijk zijn voor bijna 30 procent van het totale energieverbruik. Technologieën zoals deze kunnen helpen die groei te beteugelen.

De studie, getiteld “Coexisting Non-Trivial Van der Waals Magnetic Orders Enable Field-Free Spin-Orbit Torque Magnetization Dynamics”, is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials. Het onderzoek werd ondersteund door onder meer de European Innovation Council, Graphene Flagship, en de Wallenberg Foundation.