Dataopslag kan veel sneller

De opslagsnelheid van harde schijven heeft zijn grens bereikt. Maar straks kunnen data duizend maal sneller worden weggeschreven dan nu. Met ‘spinstroom’.

Met een ultrakorte laserpuls kun je een ‘explosie’ aan elektronen opwekken die de magnetisatie van metaallaagjes extreem snel verandert. Deze vinding, beschreven in Nature Communications door Sjors Schellekens en collega’s van de TU Eindhoven, zou kunnen leiden tot snellere computergeheugens en harde schijven.

De informatie op een harde schijf (of in sommige types computergeheugen) is opgeslagen in de vorm van lokale magnetisaties, ofwel de richting van plaatselijke magneetjes in het metaal. De schrijfkop van een harde schijf kan die magnetisatie ompolen, en dus nieuwe informatie wegschrijven, door zelf een nog krachtiger magnetisch veld op te wekken. Maar deze methode kent een maximumsnelheid, waar elektronicafabrikanten nu tegenaan beginnen te lopen.

Data wegschrijven met ultrakorte laserpulsen kan tot wel duizend keer sneller gaan. De laserpulsen duren enkele honderden femtoseconden (een femtoseconde is 10-15 seconde, ofwel een miljoenste nanoseconde). Voorwaarde is dat het door de Eindhovenaren beschreven effect zich laat vertalen naar computerchip-formaat, zegt Schellekens. „Dit is fundamenteel onderzoek, waarbij toepassing nog jaren op zich kan laten wachten.”

De onderzoekers schoten een extreem korte laserpuls van 150 femtoseconden op een stapeling van onder andere platina, kobalt, koper, en nikkel in laagjes van enkele nanometers.

Van de drie hoofdlaagjes in dit materiaal is het bovenste gemagnetiseerd in de richting van het platte vlak, terwijl het magneetveld in de onderste laag juist loodrecht op het platte vlak staat. De koper-platina-laag daartussen is niet magnetiseerbaar.

De korte laserpuls geeft vrij bewegende elektronen in alle lagen een flinke opdonder. „Je zou het een soort elektronenexplosie kunnen noemen. De elektronen bewegen daarna met tienduizenden meters per seconde”, zegt Schellekens.

Elektronen hebben ieder ook hun eigen magneetveld, ‘spin’ geheten. Hoewel de laserpuls alle vrije elektronen een even grote stoot geeft, is het netto-effect van de puls toch een verhuizing van elektronen met één soort spin naar de overkant: een ‘spinstroom’.

Dat komt doordat elektronen met een spin parallel aan de lokale magnetisatie vrij kunnen bewegen, terwijl elektronen met een tegengestelde spin juist worden afgeremd.

Het netto effect is een selectieve migratie: uit het bovenste laagje zijn het vooral horizontaal spinnende elektronen die de oversteek naar het onderste laagje maken, uit het onderste laagje reizen vooral verticaal spinnende elektronen naar boven.

Eenmaal aan de overkant aangekomen, geven de elektronen vervolgens hun spin af, waardoor de lokale magnetisatie verandert. Het magneetveldje in het bovenste laagje wijst daardoor na de puls niet helemaal meer in het platte vlak, die van het onderste laagje wordt juist minder verticaal.

„Er was al langer discussie over of je met laser-opgewekte spinstromen de magnetisatie kunt veranderen. Dat hebben wij nu aangetoond. De verandering in magnetisatie is niet groot, maar wel duidelijk te meten”, zegt Schellekens, „en we hebben ideeën over hoe je hem nog groter zou kunnen maken.”