Stichting FOM
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Melissa Vianen
24 augustus 2009, 2009/24
Trage magneten helpen ultrasnelle data-opslag
Onderzoekers van het Institute for Molecules and Materials (IMM) van
de Radboud Universiteit Nijmegen en de Stichting FOM hebben in
samenwerking met Russische en Oekraïense collega's gevonden dat de
magnetisatie (het tot stand komen van een noord- en zuidpool) van
bepaalde magneten inertie, oftewel traagheid, laat zien: de
magnetisatie gedraagt zich alsof die massa heeft. Deze zogenaamde
antiferromagneten kunnen veel sneller omgepoold worden door hun
inertie. Met behulp van deze ontdekking kan een geheel nieuw scenario
van magnetische data-opslag worden gerealiseerd: door middel van
inertie kan een harde schijf met magnetische pulsen werken die 10.000
keer korter zijn dan tot nu toe realiseerbaar was. De ontdekking is
ook belangrijk voor andere toepassingen waarbij grote hoeveelheden
informatie binnen zeer korte tijd opgeslagen moeten worden of voor een
3D-display. Op 23 augustus publiceren Alexey Kimel en zijn collega's
hun bevindingen in het gezaghebbende wetenschappelijk tijdschrift
Nature Physics.
Figuur 1. Een traagheid in mechanische beweging en ompolen van
magnetisatie
vergroten Figuur 1. Een traagheid in mechanische beweging en ompolen
van magnetisatie
Om een voorwerp over een potentiële barrière te brengen moet er een
kracht uitgevoerd worden op het voorwerp. Als het voorwerp geen
traagheid heeft (links boven), is er een continue kracht nodig die het
voorwerp over de potentiële barrière brengt. Hetzelfde gebeurt tijdens
ompolen van magnetisatie M in ferromagneten met behulp van magnetisch
veld H (links onder). Omdat de magnetische spins in ferromagneten geen
traagheid hebben, is de periode waarin het magnetische veld aangelegd
moet worden gelijk aan de tijd die de magnetisatie nodig heeft om 180
graden te draaien. Als de spin traagheid zou hebben, dan zou deze zich
als een biljartbal gedragen (rechts boven). De keu (zeer korte
magnetische puls) brengt hem slechts gedurende een kort moment in
beweging en de bal (spin) rolt daarna door vanwege zijn inertie
(massa). Door middel van inertie zouden spins met veel kortere pulsen
gemanipuleerd kunnen worden dan tot nu toe realiseerbaar was.
Magneten en inertie
Magneten met inertie zijn een interessant onderzoeksobject. Door de
inertie, ofwel traagheid van een magneet, kan deze relatief makkelijk
worden omgepoold. Dat wil zeggen dat de noord- en zuidpool
uitwisselen. Er is dan slechts een korte tijd een kracht (door een
magneetveld) nodig. Dit kun je vergelijken met de beweging van een
biljartbal: de keu brengt hem slechts gedurende een kort moment in
beweging en de bal rolt daarna door vanwege zijn inertie (massa).
Als je een magneet wilt ompolen, gebeurt dat normaliter door het
aanleggen van een sterk magnetisch veld. Hetzelfde gebeurt in de harde
schijf van een computer, waar de bits (enen en nullen) worden
weggeschreven in kleine magnetische domeinen. De periode waarin het
magnetische veld aangelegd moet worden is gelijk aan de tijd die de
magnetisatie nodig heeft om 180 graden te draaien. Haal je het
magnetische veld weg dan stopt de magnetisatiebeweging meteen omdat de
magnetisatie in gewone ferromagneten (bijvoorbeeld nikkel, ijzer of
cobalt) geen inertie heeft. Daarom moet in de huidige harde schijven
het magnetische veld tenminste 1 nanoseconde (1 nanoseconde is een
miljardste deel van een seconde) aangelegd worden om een bit te
schrijven. Dat lijkt misschien heel kort, maar als het over honderden
gigabits van informatie gaat, kan dat heel lang gaan duren. De vraag
is: kan dit niet sneller?
Supersnelle magnetische data-opslag
Magnetische spin kan twee kanten op wijzen: omhoog of omlaag. In
ferromagneten wijzen alle spins een kant op (parallel). In
antiferromagneten wijzen spins om en om in verschillende richtingen en
zijn dus antiparallel. Dat maakt voor de magnetische eigenschappen een
cruciaal verschil en daar gaat het in antiferromagneten juist om.
Kimel en collega's hebben nu vastgesteld dat in antiferromagneten
magnetische spins inertie hebben. De onderzoekers laten vervolgens
zien dat door deze traagheid een magneetveld dat slechts 100
femtoseconden aanstaat (een femtoseconde is een miljoenste deel van
een nanoseconde) een impuls aan deze spins kan overdragen. Hierdoor
blijven deze bewegen nadat de impact van het korte magneetveld voorbij
is, inderdaad analoog aan de beweging van een biljartbal na de impact
van de keu. Met deze ontdekking kan een revolutionair nieuw scenario
voor magnetische data-opslag gerealiseerd worden omdat het proces tot
wel 10.000 maal sneller gaat dan tot nog toe mogelijk is.
"Vijf jaar geleden was dit onmogelijk!"
Inertie is een zeer fundamenteel verschijnsel. Waarom hebben mensen
dit vroeger niet gevonden? Alexey Kimel, een van de betrokken
onderzoekers, licht dit toe: "Om inertie van spins te kunnen waarnemen
is een magnetische veldpuls nodig met een sterkte van 1,5 tesla en
korter dan 1 picoseconde (een picoseconde is een duizendste deel van
een nanoseconde). Dat is niet alleen 1.000 keer sneller dan in de
huidige harde schijf, maar zou ook honderd keer sneller zijn dan
magnetische pulsen in gewone universitaire of industriële
R&D-laboratoria. Vijf jaar geleden was het absoluut ondenkbaar geweest
om zulke korte pulsen in ons lab te hebben, maar in 2005 hebben wij
vastgesteld dat met behulp van circulair gepolariseerde lichtflitsen
zulke korte pulsen gegenereerd kunnen worden. Daarmee hebben wij een
uniek instrument verkregen om magnetisme op zeer korte tijdschaal te
bestuderen. Het feit dat magnetische spins traagheid kunnen hebben, in
combinatie met het supersnel schakelen van spins dankzij dit
verschijnsel, is een van de eerste ontdekkingen in het terra incognita
van ultrasnel magnetisme dat wij net betreden hebben."
Het onderzoek aan de Radboud Universiteit Nijmegen is mede
gefinancierd door de Stichting FOM, een Vidi-subsidie van NWO voor dr.
Alexey Kimel, het EU-NMP-netwerk 'UltraMagnetron', het EU-ITN-netwerk
'FANTOMAS', INTAS, het NanoNed-programma, de Russian Foundation for
Basic Research (RFBR) en de Ukrainian Foundation for Basic Research
-Ministry of Education and Science.
Referentie
Inertia-driven spin switching in antiferromagnets, Alexey V. Kimel,
Boris A. Ivanov, Roman V. Pisarev, Pavel A. Usachev, Andrei Kirilyuk
and Theo Rasing, Nature Physics, August 23, 2009.
Meer informatie
Dr. Alexey Kimel, Radboud Universiteit Nijmegen, telefoon (024) 365 30
26.