Spin-valve versnelt en verbetert gegevensopslag

Belgische en Nederlandse onderzoekscentra hebben de laatste weken opmerkelijke onderzoeksresultaten laten zien op het gebied van gegevensopslag. Gebaseerd op zogeheten 'spin-valve transistoren' is het mogelijk opslagcapaciteit en leessnelheid aanzienlijk te vergroten.

Op de Universiteit Twente in Enschede is een supergevoelige magneetsensor ontwikkeld waarmee de capaciteit van harde schijven flink kan toenemen. In België claimt het Interuniversitair Micro-elektronica Centrum (Imec) in Leuven als eerste een geheugenchip te hebben gemaakt waarin bits magnetisch kunnen worden opgeslagen. Snel uitlezen is hier het doel.

Weerstand

In beide gevallen gaat het om zogenaamde spin-valve transistoren. Spin-valves zijn structuren van zeer dunne lagen. De magnetisatie in een van de lagen is in twee standen omklapbaar. Het bijzondere is dat weerstand in de ene stand beduidend lager is dan in de andere. Spin-valves zijn daarom te zien als magnetische schakelaars. Het Forschungsinstitut Jülich en de Université Paris-Sud ontdekten het effect in 1988 en noemde dit 'giant magneto-resistance' (GMR).
Iedereen realiseerde zich dat het GMR-effect de opslagdichtheid van harde schijven een flinke oppepper zou geven. IBM Almaden Research in San José, 's werelds belangrijkste onderzoekslab op het gebied van harde schijven, sprong er meteen bovenop. Eind vorig jaar kwam Big Blue als eerste op de markt met een 16,8 gigabyte harde schijf met GMR-koppen.

Gevoeligere sensoren

De meeste harde schijven hebben momenteel koppen met een gewone magneto-resistieve sensor. Het magnetische materiaal wisselt slechts enkele procenten in weerstand als de kop over de verschillende bits op de harde schijf vliegt. In de spin valves is het effect groter, tot wel 60 procent. Dat maakt gevoeligere sensoren mogelijk, waardoor veel kleinere bits zijn te detecteren. In Twente is nu een spin-valve geconstrueerd waarin het GMR-effect nog tien keer groter is. Douwe Monsma, de promovendus die de spin-valves op de Universiteit Twente ontwikkelde, werkt intussen bij IBM Almaden Research.

Weerstand

Onderzoekers van het Leuvense Imec ontwikkelden een magnetic random access memory (mram) dat negen bits kan opslaan in een chip met drie bij drie spin-valves. De magnetische geheugenelementen zijn te programmeren door stroom door een omliggende winding te sturen. De magnetisatie-richting wordt hiermee geprogrammeerd en de spin valve blijft in deze toestand. Net als flash- en eeprom-geheugens houden ze hun informatie vast als de stroom uit staat. Uitlezen gaat simpelweg door de weerstand over de spin valve te meten. Dat gaat heel snel. Een magnetisch geheugenelement op een chip kan in een miljardste deel van een seconde de waarde van zijn bit vrijgeven. In theorie maakt dat uitlezen met snelheden van gigabits per seconde mogelijk. Mrams zijn ongevoelig voor de elektromagnetische puls van een kernexplosie, een reden waarom defensie-onderzoekers er veel belangstelling voor hebben.