Νέο τρισδιάστατο μεταϋλικό αφήνει υποσχέσεις για επανάσταση στον τομέα της αποθήκευσης δεδομένων

Ερευνητές από το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), το TU Chemnitz, το TU Dresden και το Forschungszentrum Jülich ήταν οι πρώτοι που απέδειξαν ότι όχι μόνο μεμονωμένα bit, αλλά ολόκληρες ακολουθίες bit μπορούν να αποθηκευτούν σε κυλινδρικές περιοχές: μικροσκοπικές, κυλινδρικές περιοχές με διαστάσεις μόλις 100 νανόμετρα. Όπως αναφέρει η ομάδα στο περιοδικό Advanced Electronic Materials, τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για νέους τύπους αποθήκευσης δεδομένων και αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένων ακόμη και μαγνητικών παραλλαγών νευρωνικών δικτύων.

«Μια κυλινδρική περιοχή, την οποία εμείς οι Φυσικοί αποκαλούμε επίσης περιοχή φυσαλίδων, είναι μια μικροσκοπική, κυλινδρική περιοχή σε ένα λεπτό μαγνητικό στρώμα. Τα σπιν της, η εγγενής στροφορμή των ηλεκτρονίων που δημιουργεί τη μαγνητική ροπή στο υλικό, δείχνουν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτό δημιουργεί μια μαγνήτιση που διαφέρει από το υπόλοιπο περιβάλλον. Φανταστείτε μια μικρή, κυλινδρικού σχήματος μαγνητική φυσαλίδα να επιπλέει σε μια θάλασσα αντίθετης μαγνήτισης», λέει ο καθηγητής Olav Hellwig από το Ινστιτούτο Φυσικής Ακτίνων Ιόντων και Έρευνας Υλικών του HZDR, περιγράφοντας το αντικείμενο της έρευνάς του. Ο ίδιος και η ομάδα του είναι βέβαιοι ότι τέτοιες μαγνητικές δομές διαθέτουν μεγάλες δυνατότητες για σπιντρονικές εφαρμογές.

Στα άκρα αυτού του κυλινδρικού τομέα σχηματίζονται τοιχώματα, περιοχές με περιθώρια στις οποίες αλλάζει η κατεύθυνση της μαγνήτισης. Στην τεχνολογία μαγνητικής αποθήκευσης, την οποία προσπαθεί να επιτύχει η ομάδα του Hellwig, θα είναι ζωτικής σημασίας ο ακριβής έλεγχος της δομής του σπιν στο τοίχωμα του τομέα, καθώς η δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη κατεύθυνσή του μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για την κωδικοποίηση των bits. Οι ερευνητές εστιάζουν επίσης σε μια άλλη πτυχή: «Οι σημερινοί μας σκληροί δίσκοι, με πλάτος τροχιάς 30 έως 40 νανόμετρα και μήκος bit 15 έως 20 νανόμετρα, φιλοξενούν περίπου ένα terabyte σε μια επιφάνεια μεγέθους γραμματοσήμου. Εργαζόμαστε για να ξεπεράσουμε αυτόν τον περιορισμό πυκνότητας δεδομένων επεκτείνοντας την αποθήκευση στην τρίτη διάσταση», εξηγεί ο Hellwig.

Οι μαγνητικές πολυστρωματικές δομές είναι ένας ελκυστικός τρόπος ελέγχου της εσωτερικής δομής σπιν των τοιχωμάτων του τομέα, επειδή οι σχετικές μαγνητικές ενέργειες μπορούν να ρυθμιστούν συνδυάζοντας διαφορετικά υλικά και πάχη στρώσεων. Η ομάδα του Hellwig χρησιμοποίησε μπλοκ από εναλλασσόμενα στρώματα κοβαλτίου και λευκόχρυσου, τα οποία διαχωρίστηκαν από στρώματα ρουθηνίου, και τα εναπόθεσε σε πλακίδια πυριτίου. Το μεταϋλικό που προέκυψε είναι ένας συνθετικός αντιφερρομαγνήτης. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του είναι μια κάθετη δομή μαγνήτισης στην οποία τα γειτονικά μπλοκ στρώματος έχουν αντίθετες κατευθύνσεις μαγνήτισης, με αποτέλεσμα να υπάρχει συνολικά μια καθαρή ουδέτερη μαγνήτιση.

«Σε αυτό το σημείο έρχεται η έννοια της μνήμης «πίστας». Το σύστημα μοιάζει με μια πίστα αγώνων, κατά μήκος της οποίας τα bits είναι τοποθετημένα σαν μια σειρά από μαργαριτάρια. Το έξυπνο με το σύστημά μας είναι ότι μπορούμε να ελέγξουμε συγκεκριμένα το πάχος των στρωμάτων και, συνεπώς, τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Αυτό μας επιτρέπει να προσαρμόσουμε τη μαγνητική συμπεριφορά του συνθετικού αντιφερρομαγνήτη ώστε να καταστεί δυνατή η αποθήκευση όχι μόνο μεμονωμένων bits, αλλά ολόκληρων ακολουθιών bit, με τη μορφή μιας εξαρτώμενης από το βάθος κατεύθυνσης μαγνήτισης των τοιχωμάτων του τομέα», εξηγεί ο Hellwig. Αυτό ανοίγει την προοπτική της μεταφοράς τέτοιων κυλινδρικών τομέων πολλαπλών bit κατά μήκος αυτών των μαγνητικών λεωφόρων δεδομένων με ελεγχόμενο, γρήγορο και ενεργειακά αποδοτικό τρόπο.

Υπάρχουν επίσης δυνατότητες για άλλες εφαρμογές στη μαγνητοηλεκτρονική. Για παράδειγμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μαγνητοαντιστατικούς αισθητήρες ή σε σπιντρονικά εξαρτήματα. Επιπλέον, τέτοια πολύπλοκα μαγνητικά νανο-αντικείμενα έχουν μεγάλες δυνατότητες για μαγνητικές εφαρμογές σε νευρωνικά δίκτυα που θα μπορούσαν να επεξεργάζονται δεδομένα με τον ίδιο τρόπο όπως ο ανθρώπινος εγκέφαλος.

[via]