Zie Nieuws

Magnetische dataopslag op chip presteert beter op ‘nette’ grensvlakken

Magnetische data-opslag, maar dan zonder de bewegende onderdelen van een harddisk of een tape: er wordt veel van verwacht en voorzichtig verschijnen de eerste producten op de markt. Toch lijkt de technologie nog te lijden aan een soort 'geheugenverlies' dat alleen te verklaren is met goede rekenmodellen voor het grensvlak tussen twee materialen. Onderzoekers van het MESA+ Instituut van de Universiteit Twente hebben dit voor het eerst gedaan en laten zien welke invloed de temperatuur heeft, en de orde - of juist wanorde -, op het grensvlak. Hun publicatie in Physical Review Letters werd verkozen tot ‘Editor’s Suggestion’.

Magnetische opslag, maar dan zonder de bewegende onderdelen en de lees- en schrijfkop van een harddisk of tape: er wordt al lange tijd naar uitgekeken. In datacenters verschijnt weliswaar steeds vaker de solid-state dataopslag (SSD), snel en volledig elektronisch, maar magnetische opslag blijft als voordeel hebben dat de informatie, ook zonder spanning, bewaard blijft. En het is beduidend goedkoper. Disks, en ook 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.

Gekoppeld aan de stroomgeleiding, is er een 'spinstroom' die samenhangt met de 'spin', tolbeweging, van het elektron. 

Spinstroom

Het ene materiaal is bijvoorbeeld een stroomgeleider, het ander is magnetisch. Elektronen transporteren hun lading door de geleider, maar ze hebben nóg een eigenschap en dat is hun ‘spin’: ze tollen om hun as, met de klok mee of ertegenin. Het mooie is dat een spin-stroom vanuit de geleider, dankzij het ‘Spin Hall effect’, naar het magnetisch materiaal is 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’, een bekend fenomeen dat de toepasbaarheid in de weg kan staan: je dreigt dan de spinstroom aan het grensvlak ‘kwijt te raken’. Dit verlies is de afgelopen jaren uitgebreid onderzocht, maar het gros van de experimenten is uitgevoerd bij zeer lage temperaturen. En juist die temperatuur maakt, zeker voor sommige magnetische materialen, het verschil, laten de nieuwe simulaties zien. De rekenmodellen gaan uit van de quantummechanische 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.

Het onderzoek is uitgevoerd door de groep Computational Materials Science van prof Paul Kelly, onderdeel van het MESA+-instituut van de Universiteit Twente. De onderzoekers hebben samengewerkt met collega’s van het Center for Advanced Quantum Studies van Beijing Normal University.

Het paper ‘Disorder dependence of interface spin memory loss’, door Kriti Gupta, Rien Wesselink, Ruixi Liu, Zhe Luan en Paul Kelly is verschenen in Physical Review Letters, uitgave van de American Physical Society. Fysica-website phys.org heeft een interview met Paul Kelly gepubliceerd.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)