Digitale tollen

Komend najaar doet een nieuw type geheugenchip zijn intrede. Aan de basis ligt de tolbeweging van elektronen. In harde schijven bestaat het al.

VEEL MENSEN weten dat het elektron een negatief geladen deeltje is dat cirkelt rond een positief geladen atoomkern. Moderne fysici hebben het moeilijker. Zij zien in het elektron een golf en een deeltje tegelijk. En het elektron draait niet alleen rond, zoals de aarde rond zon, maar het tolt ook nog; zoals de aarde om zijn as.

Elektronen als golven, elektronen als tollen, de beelden helpen om grip te krijgen op de wiskunde van de quantummechanica. Computermakers kon het tot voor kort allemaal weinig schelen. Zij gebruiken de elektrische lading van elektronen (of het ontbreken daarvan) om nullen en enen (bits) weer te geven in hun geheugens, geleidende draden of logische schakelingen.

Toch is lading niet langer het enige dat telt. De richting waarin het elektron rond zijn as draait is óók goed bruikbaar als informatiedrager. Volgens de quantumtheorie kan een elektron maar op twee manieren draaien, linksom of rechtsom. Fysici spreken van spin: linksom is een nul, rechtsom een één. Voor informatieopslag op de harde schijf van een pc zijn de tollende elektronen al niet meer weg te denken. En de elektronspin staat centraal in een nieuwe geheugenchip die de informatie-opslag op pc's, mobiele telefoons en mp3-spelers voor zijn rekening kan gaan nemen (MRAM, Magnetic Random Access Memory). Deze magnetische RAM-chip gebruikt minder stroom (wat een einde moet maken aan het om de haverklap opladen van mobieltjes) en bewaart informatie ook zonder stroom (wat uitzicht biedt op razendsnel startende computers die bestanden vasthouden, óók als de stroom uitvalt).

Komend najaar zullen de eerste magnetische RAM-chips (met een beperkte capaciteit) verkrijgbaar zijn. Veel specialisten menen dat het nieuwe geheugen in potentie álle andere geheugenchips zou kunnen vervangen. Daarmee staat een miljardenmarkt op het spel. Tollende elektronen zijn hot; wetenschappers en bedrijfsleven hebben het over de `spintronica', een samentrekking van de woorden `spin' en `elektronica'.

``Bestaande geheugens voor pc's en mobieltjes hebben elk hun plussen en minnen'', zegt Ron Jansen, spintronicaspecialist en verbonden aan de Universiteit Twente. ``Er zijn nog tal van problemen, maar de magnetisch RAM-chip kan goede eigenschappen als snelheid, capaciteit en een laag energieverbruik combineren.'' Ook Gerrit Bauer hoogleraar theoretische fysica aan de TU Delft verwacht er veel van. ``De geheugens zijn sneller en eisen minder stroom. De batterijen van laptops en mobiele telefoons die erop zijn gebaseerd zullen langer meekunnen. Daar staat tegenover dat dit type geheugen vooralsnog nog erg duur is.''

Terwijl bedrijven (IBM, Motorola, en sinds kort ook Intel) werken aan een marktintroductie kijkt de wetenschap verder vooruit. ``Met de pure productontwikkeling kunnen wij niet concurreren'', zegt Bert Koopmans, hoogleraar in de fysica van de nanostructuren aan de TU Eindhoven. ``Wel met het begrijpen van de fysische problemen die spelen op iets langere termijn.'' Koopmans coördineert een recent gestart nieuw onderzoeksprogramma dat een impuls geeft aan onderzoek op het gebied van de spintronica aan de universiteiten van Delft, Eindhoven, Groningen, Nijmegen en Twente. Met overheidsgeld, afkomstig van de aardgasbaten en de veiling van frequentiespectra voor mobiele telefonie, mogen zij de komende jaren op zoek naar fundamentele problemen en nieuwe toepassingen voor het tollende elektron.

spoel

Waar draait het allemaal om? Een elektron dat om zijn as draait genereert een magnetisch veld dat te vergelijken is met het veld van een elektromagneet dat ontstaat in een spoel van gewonden stroomdraad. Volgens de wetten van de quantummechanica kan de as waar het elektron omheen tolt niet zomaar elke richting op staan, het elektron moet kiezen: linksom of rechtsom, met een veld gericht naar boven óf naar beneden.

``Als elk elektron in een willekeurige richting zou tollen, dan merk je daar niet zo veel van'', zegt Bert Koopmans. ``Maar in ferromagnetische materialen, zoals nikkel, ijzer of mengsels daarvan kunnen grote groepen elektronen in dezelfde richting worden gezet. Daardoor ontstaat per saldo een magnetisch moment, het materiaal gedraagt zich als een magneet.''

Groepjes identiek tollende elektronen bieden een verklaring voor een fenomeen dat in 1988 is ontdekt door de fysici Albert Fert van de Universiteit Paris-Sud en Peter Grünberg van het Duitse onderzoeksinstituut KFA in Jülich. Zij staan te boek als de ontdekkers van de Giant Magnetoresistance (GMR). Deze `reusachtige magnetoweerstand' ontstaat in een soort sandwich van een laagje geleidend materiaal dat ingepakt is tussen een twee ferromagnetische (en eveneens geleidende) laagjes aan weerszijden.

De weerstand die elektronen ondervinden als ze door de totale sandwich heen willen hangt af van de richting van de tollende elektronen in de ferromagnetische laagjes. Als de elektronen aan weerszijden dezelfde kant op tollen, dan is de weerstand lager dan als de magnetische momentjes van de elektronen tegengesteld zijn aan elkaar. Koopmans: ``Zie het als een soort filter. Elektronen waarvan de spin parallel staat aan de ferromagnetische laag waar ze doorheen moeten kunnen makkelijk passeren. Als de twee lagen tegengesteld zijn ondervinden zowel de links- als de rechtsdraaiende elektronen een barrière.'' De weerstand gaat omhoog en dus kan er minder stroom passeren.

Het kan soms lang duren voordat een wetenschappelijke doorbraak resulteert in mooie toepassingen, maar met de reusachtige magnetoweerstand is het snel gegaan. Het principe wordt toegepast op de harde schijf van elke pc of laptop. De opslagcapaciteit op hard discs is de afgelopen tien jaar met een factor twee per jaar toegenomen. De sprong van 100 Megabyte naar 100 Gigabyte betekent een factor duizend in tien jaar. Volgens de wet van Moore, die geldt voor geheugenchips verdubbelt het aantal schakelingen per vierkante cm elke twee jaar. Dat is dus kinderspel vergeleken bij de magnetische data-opslag – met dank aan de reusachtige magnetoweerstand.

rotgang

Net als de cd- of platenspeler is een harde schijf gebaseerd op een leeskop die een sneldraaiende schijf afleest. In plaats van putjes of groeven registreert de afleeskop van de hard disc het veld van de kleine magnetische vlakjes die er onderdoor draaien: de richting van het veld vertegenwoordigt een één of een nul. Eén magnetisch vlakje meet tegenwoordig 30 bij 200 nanometer, de nullen en enen staan nog maar 30 nanometer van elkaar. Koopmans: ``Dat raast allemaal met een rotgang onder een leeskop door die er een paar nanometer boven zweeft en per seconde een miljard van die kleine strooiveldjes moet lezen.''

Dat laatste is mogelijk dankzij de tollende elektronen, dankzij de reusachtige magnetoweerstand. In de leeskop van de harde schijf zit een sandwich die het effect van Fert en Grünberg uitbuit. (De echte sandwich bestaat inmiddels uit meer dan drie laagjes, tal van `hulplaagjes' zijn nodig om het effect optimaal uit te buiten). Eén van de magnetische lagen ligt vast, in de andere slaat het magnetisch moment van de tollende elektronen razendsnel om in reactie op de magnetische veldjes die er onderdoor denderen. Elke omslag resulteert in een verandering in de weerstand van de afleeskop met tien procent. Bij gelijke spanning resulteert het weerstandsverschil op zijn beurt in een verschil in elektrische stroom: de logische één of nul die voor de computer tekst, muziek of plaatjes vertegenwoordigt.

Tien procent weerstandsverschil is relatief veel. Op de eerste harde schijven van de Amerikaanse computerfabrikant IBM stonden medio jaren vijftig nog bits van tientallen micrometers. Die werden gelezen door `pickup coils', spoeltjes waarin een stroompje ging lopen als het magnetische veld (de bit) in de buurt veranderde. Al te klein konden die spoeltjes niet worden gemaakt. Iets modernere leeskoppen bestonden uit een magneet waarin de elektrische weerstand veranderde afhankelijk van de richting van het magnetische veld er binnenin. Deze `gewone magnetoweerstand' resulteerde in weerstandsverschillen van slechts 1 à 2 procent.

Vanuit dat perspectief was de reusachtige magnetische weerstand een enorme stap vooruit. ``Het gaat erom dat de spanningsverschillen die een passerende nul en één veroorzaken zo groot mogelijk zijn'', zegt Koopmans. ``Je hebt spanningsverschillen nodig die boven de ruis uitkomen, wetende dat je maar een nanoseconde heb om de hele zaak uit te lezen. In een nanoseconde passeren maar weinig elektronen. Dat maakt gevoeliger voor ruis.''

Ruim tien jaar na hun inburgering op de harde schijf zijn de tollende elektronen klaar voor nieuw terrein. De basis is opnieuw een wetenschappelijke doorbraak die zich razendsnel in nieuwe technologie laat vertalen. En opnieuw draait het om weerstandsveranderingen in een sandwich van drie zeer dunne laagjes: de magnetische tunneljunctie (zie afbeelding rechts). Het was Jagadeesh Moodera van het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT) die in 1995 voor het eerst over een werkende tunneljunctie publiceerde.

tunnelen

Het rare aan deze sandwich is dat twee magnetische lagen niet gescheiden worden door een geleidende laag, maar door een uiterst dun isolerend laagje. Een laagje dus waar elektronen eigenlijk niet doorheen kunnen. Oók niet als het magnetische moment van de tollende elektronen in beide flankerende laagjes parallel is. Dat zijn de wetten van de klassieke fysica. Koopmans: ``Toch zijn er elektronen die dwars door zo'n barrière heen kunnen. In de klassieke mechanica moet je gaan klimmen als je over een muur of een berg heen wilt. In de quantummechanica hebben ze een kans om er doorheen te tunnelen, dwars door zo'n isolerende barrière heen, als ie maar dun genoeg is. Het weerstandslaagje in een tunneljunctie is niet meer dan een nanometer dik, vier, vijf of zes atomen misschien.''

Cruciaal in de magnetische tunneljunctie is dat de weerstandsverschillen die ontstaan als de magnetische veldjes parallel staan (de elektronen kunnen er relatief makkelijk doorheen tunnelen) of tegengesteld (tunnelen is heel moeilijk) kan – onder normale omstandigheden – oplopen tot 50 à 60 procent. Dat weerstandsverschil valt af te lezen als er een elektrische stroom door de sandwich loopt.

De magnetische tunneljunctie vertolkt op de magnetische-RAM-chip een functie die te vergelijken is met de rol van de eerdergenoemde sandwich van Fert en Grünberg in de leeskop van een harde schijf. Opnieuw draait het om weerstandsverschillen die – bij eenzelfde spanning – resulteren in een andere stroom in de aparte schakeling die nodig is om het geheugen uit te lezen (zie afbeelding rechtsonder).

Afgelopen najaar – minder dan een decennium na de laboratoriumdoorbraak – hebben twee Amerikaanse bedrijven (Motorola en Cypress Semiconductor) een werkende magnetische RAM-chip gemaakt. Volgens Ron Jansen van de Universiteit Twente, die de Cypress-chip heeft gezien, betreft het meer dan een prototype. ``Het is een complete chip'', zegt hij. ``De chip is nog niet in massaproductie gebracht, maar wel beschikbaar voor andere bedrijven die hem in hun eigen producten willen testen.'' Jansen verwacht de MRAM-chips nog dit jaar op de markt, maar waarschuwt dat de capaciteit van de Cypress-chip (256 kilobit) te beperkt is voor serieuze toepassingen. ``Zelfs voor het geheugen in een mobieltje heb je al gauw een paar megabit nodig.''

Fabrikanten van magnetische RAM-chips zullen moeten laten zien dat ze ook geheugens kunnen maken met een grotere capaciteit. `Het verder verkleinen van MRAM-geheugens zal een uitdaging zijn', zo schreef een groep Philips-onderzoekers eerder dit jaar (Nature Materials, 13 maart). Zij lanceerden in het artikel een concurrerend concept voor een geheugenchip, voortbouwend op de manier waarop een laser enen en nullen schrijft op een cd of dvd: er zijn meer kapers op de kust om de gevestigde namen (DRAM, SRAM en Flash) van de afgelopen twintig jaar te vervangen.

Wat bedrijven bekokstoven voor een definitieve doorbraak van magnetische RAM-chips is niet altijd makkelijk te achterhalen. ``Zo kort voor de commerciële introductie op de markt worden veel details niet meer publiek gemaakt'', zegt Jansen. Op de middellange termijn blijft het doel niettemin duidelijk: alles moet kleiner en sneller.

De eilandjes die een bit vertegenwoordigen op de eerste magnetische RAM-geheugens zullen iets meer dan honderd bij honderd nanometer groot zijn. Om meer data op een chip te proppen moeten ze nog kleiner worden. ``Daarbij wil je dat die miljarden kleine geheugenelementjes zich allemaal hetzelfde gedragen'', zegt Jansen van TU Twente. ``Dat lijkt een eenvoudige opgave, maar in de praktijk blijkt dat niet het geval.'' Om te kijken welke problemen spelen op deze schaal gebruikt Jansen microscopen die met zeer fijne naalden magnetische velden kunnen registreren op een zeer klein oppervlak (20 bij 20 nanometer). Die resolutie biedt zicht op groepjes vanaf duizend individuele atomen. Wetenschappers proberen ook waarnemingen te doen op nog kleinere schaal. Onderzoekers van IBM rapporteerden afgelopen zomer dat zij de spin van een individueel elektron hadden waargenomen met een combinatie van technieken: atomaire krachtmicroscopie (Atomic Force Microscopy) en Magnetic Resonance Imaging (MRI, Nature 15 juli 2004). ``Als je de huidige trend van miniaturisatie doortrekt dan kom je binnen 15 à 20 jaar op moleculaire schaal'', zegt Bert Koopmans. ``Voordat je daar bent moet je beter begrijpen wat er gebeurt op het niveau van individuele atomen.''

stabiliteit

Met de geheugenelementjes worden ook de laagjes waaruit ze zijn samengesteld steeds kleiner. Het is niet alleen moeilijk dergelijke laagjes te maken, sommige wetenschappers vrezen ook voor de stabiliteit ervan op de lange termijn. ``Een groot magnetisch deeltje is robuust'', zegt Koopmans. ``Je kunt tien jaar wachten en dan staat ie nog steeds dezelfde kant op. Het geheugen is permanent, dat is juist de reden waarom mensen geïnteresseerd zijn in magnetische RAM. Naarmate magneten kleiner en kleiner worden is de kans groter dat een substantieel deel van de elektronen switcht van de ene naar de andere toestand. Doordat ze een schop krijgen van de thermische wanorde bijvoorbeeld. Dan is het geheugen waardeloos.''

Ook de snelheid waarmee elektronen omslaan van de ene naar de andere spintoestand is een cruciale factor. Naarmate de dichtheid van informatie toeneemt (op een harde schijf of in een geheugenchip) moet ook het aantal bits omhoog dat per seconde wordt afgelezen. De processor van de moderne pc verwerkt gegevens met frequentie van een paar gigahertz per seconde. Koopmans: ``Dat zijn miljarden enen en nullen. Je hebt dus maar een fractie van een nanoseconde om elke bit te lezen. Als je geheugen honderd keer zo groot is en je hebt ook honderd keer zo veel tijd nodig om het af te lezen, dan is je informatie eigenlijk nutteloos.''

In de laboratoria van de TU Eindhoven onderzoekt Koopmans of de tollende elektronen in de magnetische geheugens van de toekomst wel snel genoeg kunnen omschakelen. Hij brengt tollende elektronen met een laser uit het evenwicht en `kijkt' een fractie van een seconde met een nieuwe puls wat er is gebeurd. Zo kan Koopmans zien wat er gebeurt als een elektron omdraait van een één naar een nul. ``Het begrijpen van dat proces en de snelheid waarmee dat gebeurt is belangrijk voor de magnetische geheugens van de toekomst'', zegt hij.

Spinspecialisten mogen zich gelukkig prijzen met een onderzoeksgebied waarin fundamentele doorbraken en toepassingen dicht op elkaar liggen. Terwijl de geheugenchips aan de vooravond staan van een doorbraak denken veel wetenschappers al verder vooruit. Veel energie wordt gestoken in het slaan van een brug tussen de technologieën voor halfgeleiders en voor magnetische geheugens. Het ultieme doel is een transistor die signalen kan versterken, maar ook werkt als een magnetisch geheugen. Zo'n supertransistor is er nog niet, maar wetenschappers blijven het proberen. Het vooruitzicht van een transistor die naar wens herprogrammeerbaar is, is te mooi om te vergeten. Jansen: ``De moderne pc-processor is een manusje van alles. Hij kan vele verschillende taken uitvoeren, maar is in geen daarvan gespecialiseerd. Als je schakelingen snel kunt herprogrammeren wordt dat anders. Het zou betekenen dat je een processor kunt bouwen die op elk moment kan worden aangepast op de taak die hij moet verrichten.''