Energiebesparende technologieën ontdekken in de IT-sector: ferrimagnetten aansturen op spanning

De snelle toename van het energieverbruik in verband met digitale technologieën is een grote wereldwijde uitdaging. Een belangrijk probleem is de vermindering van het energieverbruik van magnetische data-opslagapparaten, die bijvoorbeeld worden gebruikt in grote datacenters.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en met deelname van Prof. Karin Leistner en Dr. Jonas Zehner van het Professorship of Electrochemical Sensors and Energy Storage aan het Institute of Chemistry aan de Chemnitz University of Technology (voorheen hoofd van de onderzoeksgroep Magneto-ionics and Nanoelectrodeposition aan het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden) demonstreren nu 180° magnetisatie-omkering door door spanning geïnduceerde waterstofbelading in ferrimagnetten.

Dit resultaat is van buitengewoon belang, aangezien 180° magnetisatie-omkering door puur elektrische velden inherent moeilijk is vanuit fundamentele principes, maar het belooft een drastische vermindering van het energieverbruik voor magnetisatie-omschakeling. Voor toepassing bij gegevensopslag en -manipulatie is 180°-magnetisatie-omschakeling cruciaal, omdat de magnetisatie in de afzonderlijke bits meestal 180° wordt tegengewerkt. Het resultaat van de studie heeft dus het potentieel om een ​​weg te openen naar een drastisch verminderd wereldwijd energieverbruik van gegevensopslag.

Naast de deelnemers van MIT en Chemnitz University of Technology, bestond het onderzoeksteam uit wetenschappers van de University of Minnesota, Korea Institute of Science and Technology en ALBA Synchrotron in Barcelona. De leiding werd genomen door de materiaalwetenschappers Dr. Mantao Huang en Prof. Geoffrey Beach van MIT, experts in op waterstof gebaseerde magneto-ionische apparaten en spintronica.

De resultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Nieuwe aanpak

In magnetische gegevensopslagmedia, zoals harde schijven of MRAM’s (magnetische willekeurige toegangsgeheugens), wordt informatie opgeslagen door een specifieke uitlijning van magnetisatie in microscopisch kleine gebieden. De richting van de magnetisatie wordt meestal aangepast door elektrische stromen of lokale magnetische velden – deze magnetische velden worden ook gegenereerd door elektrische stromen in microspoelen. In beide gevallen leidt de elektrische stroom tot energieverlies door Joule-verwarming. Daarom is de beheersing van magnetisatie door elektrische velden een veelbelovende benadering om het energieverbruik van magnetische datatechnologieën te verminderen. Tot dusverre vereist elektrische veldbesturing van magnetisatie echter hoge spanningen of is beperkt tot lage temperaturen.

Als een nieuwe benadering van spanningsgeïnduceerde magnetisatieschakeling, profiteerde het onderzoeksteam van de specifieke eigenschappen van ferrimagnetten. Ferrimagnetten bieden een multi-subroosterconfiguratie met subroostermagnetisaties van verschillende groottes die tegenover elkaar staan. De netto magnetisatie komt voort uit de optelling van de subroosterbijdragen. Ferrimagnetten hebben ook technologische voordelen ten opzichte van conventioneel gebruikte ferromagneten, omdat ze bijvoorbeeld een snelle spindynamiek mogelijk maken.

Voor ferrimagnetisch gadolinium-kobalt (GdCo) konden de onderzoekers aantonen dat de relatieve subroostermagnetisaties omkeerbaar kunnen worden omgedraaid door door spanning geïnduceerde waterstofbelading/-ontlading. Hiervoor werd het GdCo gecombineerd met een gadoliniumoxide (GdOx) laag als vastestof elektrolyt en een palladium (Pd) tussenlaag. Door een poortspanning over de structuur aan te leggen, worden protonen naar de onderste elektrode gestuurd en leiden ze tot hydrogenering van de Pd/GdCo-laag. De introductie van waterstof in het GdCo-rooster leidt tot een sterkere reductie van de subroostermagnetisatie van Gd dan die van Co. Dit zogenaamde magneto-ionische effect is stabiel over meer dan 10.000 cycli. Het zou kunnen worden bewezen door element-specifieke röntgenmagnetische circulair dichroïsme (XMCD) spectroscopie en is de basis van de gedemonstreerde magnetisatieomschakeling.

Om 180° magnetisatie-omkering te bereiken zonder externe magnetische velden, hebben de onderzoekers de GdCo/Pd/GdOx-laagstructuur gefunctionaliseerd met een extra antiferromagnetische nikkeloxide (NiO) laag. Hier profiteren ze van het zogenaamde “Exchange Bias”-effect. Dit effect treedt op wanneer ferro- of ferromagnetische lagen in contact worden gebracht met een antiferromagnetische laag. Het is gebaseerd op de koppeling van de magnetische spins aan het grensvlak en leidt tot het vastzetten van de magnetisatierichting van de ferro/ferrimagnet. Het exchange bias-effect wordt bijvoorbeeld gebruikt in magnetische sensoren in leeskoppen van harde schijven om de magnetisatierichting van een referentielaag vast te leggen. Voor ferromagnetisch GdCo leidt het contact met het antiferromagnetische NiO tot een vastzetten van de richting van de subroostermagnetisaties. In dit geval schakelt tijdens de magneto-ionische omschakeling de netto magnetisatie 180° om. Dit betekent, voor de eerste keer, een puur elektrisch veld gecontroleerde magnetisatie-omkering zonder de hulp van een magnetisch veld.

Prof. Karin Leistner en Dr. Jonas Zehner brachten hun expertise in over de overdracht van magneto-ionische controle om bias-systemen uit te wisselen. “Mijn groep bestudeert intensief de combinatie van magneto-ionische systemen met aniferromagnetische lagen en we zijn inmiddels experts in de magneto-ionische controle van uitwisselingsbias”, legt prof. Karin Leistner uit. Tijdens zijn Ph.D. tijd in de onderzoeksgroep van Karin Leistner aan de IFW Dresden, maakte Jonas Zehner van de gelegenheid gebruik van een onderzoeksverblijf van zes maanden in de groep van Prof. Beach aan het MIT. Tijdens dit onderzoeksverblijf initieerde en optimaliseerde Jonas Zehner, samen met Prof. Karin Leistner en Prof. Geoffrey Beach, de uitwisseling-bias-laagstructuur die nodig is voor de 180° magnetisatie-omkering. Hiervoor combineerde hij eerst het magneto-ionische modelsysteem Co/GdOx met antiferromagnetisch NiO. Hij maakte dunnefilmsystemen door middel van magnetronsputteren en analyseerde de invloed van dikte, samenstelling en laagvolgorde op de resulterende uitwisselingsbias en magneto-ionische controle. De magnetische eigenschappen tijdens het laden van waterstof werden gemeten met een zelfgebouwde magneto-optische Kerr Effect-opstelling. Met deze experimenten ontdekte hij dat een ultradunne Pd-laag tussen de GdCo en de NiO cruciaal is om het exchange bias-effect te stabiliseren.