Een sterke korte lichtpuls kan data opslaan op een dunne laag van kobaltgranaat. Dit ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Bialystok in Polen en de Radboud Universiteit uit Nijmegen. Het is de snelste manier van data opslaan en uitlezen tot nu toe, zonder dat er hitte aan te pas komt. De vinding kan interessant zijn voor megadataceners zoals die van Google en Facebook, en voor supergeleiding van elektronica en de toekomstige quantumcomputers.
Onderzoeker Alexey Kimel van de Radboud Universiteit denkt niet dat zijn vinding snel zal worden toegepast in gewone computers; daarvoor is de overstap van metallische opslagmaterialen naar granaatfilm te groot.
Wel zou het interessant kunnen zijn voor de grote data-opslagcentra van Google en Facebook en voor de opslag bij lage temperaturen waarop supergeleiding van elektronica en quantumcomputers waarschijnlijk zullen werken. Het ontbreken van een geheugensysteem, dat kan werken op temperaturen lager dan 10 Kelvin (-263 graden Celsius) en op hoge snelheid, was tot nu toe een van hardnekkige obstakels voor het zogenaamde supergeleiding computing.
Magnetisatie
Bij onderzoek naar data-opslag is een van de vraagstukken dat de snel toenemende vraag voor opslag in de cloud er voor kan zorgen dat datacenters oververhit raken en er veel energie nodig is om hun processoren te koelen. De nieuwste methode om data op te slaan, de Heat Assisted Magnetic Recording of HAMR, zal dat probleem niet oplossen, is de verwachting. Deze techniek gebruikt extra warmte om dataopslag sneller te maken door verwarming met een laser en een magnetische veld van een elektromagneet.
Volgens de onderzoekers van de Universiteit van Bialystok en de Radboud Universiteit is het produceren van supersnelle magnetische opslag zónder hitte en zonder elektromagneten de grote uitdaging voor fundamenteel en toepast magnetismeonderzoek. Al meer dan tien jaar zoeken onderzoekers van de Radboud Universiteit naar manieren om licht te gebruiken om magnetisatie te beïnvloeden, wat professor Theo Rasing en zijn collega’s in 2007 voor het eerst lukte.
Geen hitteproductie
Aanvankelijk gebruikten ze metalen, waarbij het omzetten van de magnetisatierichting (een bit van een 0 in een 1 veranderen) werd bereikt door de warmte die door de laserpuls werd geproduceerd. Probleem daarbij was dat de temperatuur zo hoog werd dat die dicht bij de zogenaamde Curie-temperatuur kwam. Boven deze temperatuur verdwijnt de magnetische ordening van een materiaal – en daarmee dus ook de opgeslagen data.
De volgende stap in de zoektocht werd dan ook die naar een materiaal waarin licht de magnetisatie kon veranderen zonder hitteproductie – een idee dat aanvankelijk nauwelijks te financieren was omdat het plan te exotisch leek. Alexey Kimel, natuurkundige aan de Radboud Universiteit, beet zich hier in vast en heeft met een publicatie in Nature laten zien dat het wel kan.
‘We zochten een materiaal dat weinig licht absorbeert. We hadden een di-elektrisch materiaal nodig, want hierin zijn geen vrije elektronen die lichtenergie opnemen zoals in een metaal. We zijn dus begonnen met experimenten in granaat: yttrium-ijzergranaat wordt veel als model gebruikt in magneetonderzoek. Maar het bleek ongeschikt voor dataopslag met licht – het effect van licht was te klein. Daarom hebben we de gevoeligheid vergroot door kobalt-ionen aan het kristal toe te voegen.’
Femtoseconde
Kobaltionen hebben een sterke spin-orbit-interactie. Dat is de koppeling van het magnetisch moment aan de rondgaande beweging van de elektronen. Licht kan deze rondgaande beweging verstoren en daarmee de magnetisatie beïnvloeden.
Het effect is zo sterk dat de onderzoekers met een enkele laserpuls van 40 femtoseconden (1 femtoseconde is gelijk aan 10-15 seconde of een miljoenste van een biljardste van een seconde) de magnetische spins konden ompolen: de onderzoekers konden gecontroleerd nullen en enen schrijven op de granaatfilm en die ook weer uitlezen in minder dan twintig picoseconde (1 picoseconde is gelijk aan 10-12 seconde of een miljoenste van een miljoenste seconde). Hierbij kwam praktisch geen warmte vrij. De onderzoekers legden het proces vast met hun ultrasnelle camera.
