Een mogelijke game changer voor micro-elektronica van de volgende generatie

Kleine magnetische draaikolken kunnen geheugenopslag transformeren in krachtige computers.

Magneten genereren onzichtbare velden die bepaalde materialen aantrekken. Een bekend voorbeeld zijn koelkastmagneten. Veel belangrijker voor ons dagelijks leven, magneten kunnen ook gegevens opslaan in computers. Door gebruik te maken van de richting van het magnetische veld (bijvoorbeeld omhoog of omlaag), kunnen microscopische staafmagneten elk een stukje geheugen opslaan als een nul of een één – de taal van computers.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) willen de staafmagneten vervangen door kleine magnetische wervelingen. Deze wervels, zo klein als een miljardste van een meter, worden skyrmionen genoemd, die zich vormen in bepaalde magnetische materialen. Ze zouden op een dag een nieuwe generatie micro-elektronica kunnen inluiden voor geheugenopslag in krachtige computers.

“De staafmagneten in het computergeheugen zijn als schoenveters die met een enkele knoop zijn vastgemaakt; het kost bijna geen energie om ze los te maken”, zegt Arthur McCray, een afgestudeerde student van de Northwestern University die werkt in de Materials Science Division (MSD) van Argonne. En alle staafmagneten die niet goed werken als gevolg van een storing, hebben invloed op de andere.

“Skyrmions daarentegen zijn als schoenveters die met een dubbele knoop zijn vastgemaakt. Hoe hard je ook aan een streng trekt, de schoenveters blijven vastgebonden.” De skyrmions zijn dus uiterst stabiel voor elke verstoring. Een ander belangrijk kenmerk is dat wetenschappers hun gedrag kunnen beheersen door de temperatuur te veranderen of een elektrische stroom toe te passen.

Wetenschappers moeten nog veel leren over het gedrag van skyrmionen onder verschillende omstandigheden. Om ze te bestuderen, ontwikkelde het door Argonne geleide team een ​​programma voor kunstmatige intelligentie (AI) dat werkt met een krachtige elektronenmicroscoop in het Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Argonne. De microscoop kan skyrmionen in monsters visualiseren bij zeer lage temperaturen. Dit onderzoek verscheen in Nano-brieven.

Het magnetische materiaal van het team is een mengsel van ijzer, germanium en tellurium. Qua structuur is dit materiaal als een stapel papier met veel vellen. Een stapel van dergelijke vellen bevat veel skyrmionen en een enkel vel kan van de bovenkant worden gepeld en geanalyseerd in faciliteiten zoals CNM.

“De CNM-elektronenmicroscoop in combinatie met een vorm van AI, machine learning genaamd, stelde ons in staat om skyrmion-vellen en hun gedrag bij verschillende temperaturen te visualiseren”, zegt Yue Li, een postdoctoraal aangestelde bij MSD.

“Onze meest intrigerende bevinding was dat de skyrmions gerangschikt zijn in een sterk geordend patroon bij min 60 graden Fahrenheit en hoger”, zegt Charudatta Phatak, een materiaalwetenschapper en groepsleider bij MSD. “Maar terwijl we het monster afkoelen, verandert de skyrmion-opstelling.” Als bubbels in bierschuim werden sommige skyrmionen groter, sommige kleiner, sommige versmelten en sommige verdwijnen.

Bij min 270 bereikte de laag een toestand van bijna volledige wanorde, maar de orde kwam terug toen de temperatuur terugkeerde naar min 60. Deze orde-wanorde overgang met temperatuurverandering zou kunnen worden benut in toekomstige micro-elektronica voor geheugenopslag.

“We schatten dat de energie-efficiëntie van skyrmion 100 tot 1000 keer beter zou kunnen zijn dan het huidige geheugen in de krachtige computers die in onderzoek worden gebruikt, ” zei McCray.

Energie-efficiëntie is essentieel voor de volgende generatie micro-elektronica. De huidige micro-elektronica is al goed voor ongeveer 10% van de wereldwijde elektriciteit. En dat aantal zou tegen 2030 kunnen verdubbelen. Er moet meer energiezuinige elektronica komen.

“We hebben nog een weg te gaan voordat skyrmionen hun weg vinden naar een toekomstig computergeheugen met een laag stroomverbruik,” zei Phatak. “Desalniettemin is dit soort radicaal nieuwe manier van denken over micro-elektronica de sleutel tot apparaten van de volgende generatie.”

Naast Phatak, Li en McCray omvatten Argonne-auteurs Amanda K. Petford-Long, Daniel P. Phelan en Xuedan Ma. Andere auteurs zijn Rabindra Basnet, Krishna Pandey en Jin Hu van de Universiteit van Arkansas.