Ultrasnelle techniek voor data-opslag, en dat zonder warmte

Natuurkunde

De opslag van digitale gegevens kan een stuk sneller en goedkoper nu het gelukt is magnetische data met licht weg te schrijven.

Optische meetopstelling in het laboratorium in het Poolse Bialystok. Foto A. Stupakiewicz

Voor het eerst is het natuurkundigen gelukt om het magnetisatie van een materiaal te veranderen met puur licht, zonder noemenswaardige warmteproductie. De techniek biedt zicht op ultrasnelle magnetische geheugens, die zeer weinig warmte produceren. Daardoor kan de opslagdichtheid omhoog, of het energieverbruik voor koeling omlaag. De techniek zou op den duur toegepast kunnen worden in datacentra en supercomputers.

„We hebben er vijf jaar over gedaan om deze techniek te ontwikkelen”, zegt Alexey Kimel, een van de onderzoekers van Radboud Universiteit in Nijmegen die donderdag in Nature publiceerden met collega’s uit het Poolse Bialystok.

„Het is fundamenteel onderzoek. Voorlopig zie ik het nog niet in consumentenelektronica”, zegt Kimel, „Een femtosecondenlaser kost gemakkelijk een ton. Maar aan de andere kant: grote datacentra kampen ook met warmte-ontwikkeling, dus op den duur is dat misschien een optie. Het is niet voor niets dat datacentra in de poolgebieden worden neerzet.”

In de harde schijven van nu wordt informatie magnetisch weggeschreven met hulp van een magnetische schrijfkop. Zo’n schrijfkop moet wel naar het stukje te magnetiseren harde schijf gemanoeuvreerd worden, wat de snelheid beperkt. Bovendien zijn forse magnetische velden nodig, wat de schakelsnelheid ook beperkt.

Met de nieuwe techniek zijn het lichtpulsen die de magnetisatie in het materiaal yttrium-ijzer-granaat veranderen (granaten zijn, naast een soort vruchten en wapentuig, ook een klasse edelstenen en mineralen). Dat is een transparant materiaal, dat bijzondere magnetische eigenschappen heeft dankzij toegevoegde kobalt-atomen.

Elektronen hebben ‘spin’ - het zijn een soort mini-magneetjes, die in dit materiaal gericht kunnen zijn in vier verschillende voorkeursrichtingen. Licht bestaat uit elektromagnetische golven, die – mits ze de juiste golflengte hebben – een slinger kunnen geven aan de elektronen. Als dat lang genoeg duurt, zal die draaiing het spin-magneetje doen doorschieten naar een andere voorkeursrichting. Dan is er een bit geschreven.

‘Lang genoeg’ is in dit geval slechts 20 picoseconden, maten Kimel en collega’s (een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste seconde). Dat is veel sneller dan bestaande schrijftechnieken, die er wel nanoseconden over doen.

„Doordat het materiaal transparant is, wordt het bovendien nauwelijks opgewarmd”, zegt Kimel. Extrapolerend uit hun metingen berekenen de onderzoekers dat het ompolen van één kubusje van 20 x 20 x 10 nanometer maar 22 atto-joule aan opwarming zou leveren. Zo’n vijfhonderd keer minder dan alle bestaande technieken.