Magneet met één molecuul kan leiden tot harde schijven met een stamp-grootte die in staat zijn om 100 keer meer gegevens op te slaan

Chemici van de Universiteit van Manchester en de Australian National University (ANU) hebben een nieuw type molecuul ontworpen dat informatie op temperaturen kan opslaan die ’s nachts zo koud als de donkere kant van de maan, met belangrijke implicaties voor de toekomst van gegevensopslagtechnologieën.

De bevindingen, gepubliceerd in Natuur,, zou de weg kunnen effenen voor hardware van de volgende generatie over de grootte van een postzegel die 100 keer meer digitale gegevens kan opslaan dan huidige technologieën.

“De nieuwe single-molecule magneet ontwikkeld door het onderzoeksteam kan zijn magnetische geheugen behouden tot 100 Kelvin, dat ongeveer min 173 graden Celsius is, of zo koud als een avond op de maan,” zei co-lead auteur professor Nicholas Chilton, van de ANU Research School of Chemistry, zei.

“Dit is een belangrijke vooruitgang van het vorige record van 80 Kelvin, dat ongeveer minus 193 graden Celsius is. Als deze moleculen worden geperfectioneerd, kunnen deze moleculen grote hoeveelheden informatie in kleine ruimtes verpakken.

“Pink Floyd’s The Dark Side of the Moon werd uitgebracht in 1973. Technologie heeft sindsdien een lange weg afgelegd en tegenwoordig luisteren we naar muziek via nieuwe digitale media zoals Spotify en zelfs Tiktok.

“Dit nieuwe molecuul zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën die ongeveer drie terabytes aan gegevens per vierkante centimeter kunnen opslaan. Dat is gelijk aan ongeveer 40.000 CD -kopieën van de Dark Side of the Moon -album die in een harde schijf zo groot werd geperst ter grootte van een postzegel of ongeveer een half miljoen Tiktok -video’s.”

Met meer van ons dan ooit voordat ze op internet bladeren, sociale media scrollen, video’s streamen en bestanden uploaden naar cloudgebaseerde systemen, is er een groeiende vraag naar nieuwe soorten infrastructuur voor informatietechnologie die de enorme hoeveelheden gegevens die dagelijks worden geconsumeerd kan opslaan en verwerken.

Magnetische materialen hebben al lang een belangrijke rol gespeeld in technologieën voor gegevensopslag. Momenteel slaan harde schijven gegevens op door kleine regio’s te magnetiseren die bestaan ​​uit veel atomen die allemaal samenwerken om het geheugen te behouden.

Magneten met één moleculen kunnen informatie individueel opslaan en geen hulp van hun buren nodig hebben om hun geheugen te behouden, waardoor het potentieel is voor ultrahoge gegevensdichtheden.

Maar de uitdaging is altijd de ongelooflijk koude temperaturen geweest die nodig zijn om te functioneren.

“Hoewel het nog ver verwijderd is van het werken in een standaard vriezer, of bij kamertemperatuur, kan gegevensopslag bij 100 Kelvin, of ongeveer min 173 graden Celsius, haalbaar zijn in enorme datacenters, zoals die welke door Google worden gebruikt,” zei co-lead auteur professor David Mills, van de Universiteit van Manchester, zei.

“Hoewel de nieuwe magneet nog steeds ver onder de kamertemperatuur moet worden gekoeld, is deze nu ruim boven de temperatuur van vloeibare stikstof, een direct verkrijgbaar koelmiddel, dat 77 kelvin is, of rond min 196 graden Celsius.

“Dus, hoewel we dit soort gegevensopslag een tijdje niet in onze mobiele telefoons zien, maakt het opslaan van informatie in enorme datacenters haalbaarder.”

De sleutel tot het succes van de nieuwe magneten is de unieke structuur, waarbij het zeldzame aardelement dysprosium zich tussen twee stikstofatomen bevindt. Deze drie atomen zijn bijna in een rechte lijn gerangschikt – een configuratie die wordt voorspeld om de magnetische prestaties te stimuleren, maar zich nu voor het eerst gerealiseerd.

Gewoonlijk, wanneer dysprosium wordt gebonden aan slechts twee stikstofatomen, heeft dit de neiging om moleculen te vormen met meer gebogen of onregelmatige vormen. In het nieuwe molecuul voegden de onderzoekers een chemische groep toe die een alkeen genaamd die werkt als een moleculaire pin, die bindend aan dysprosium om de structuur op zijn plaats te houden.

“Bij ANU hebben we een nieuwe theoretische benadering ontwikkeld om het magnetische gedrag van het molecuul te simuleren, met alleen de fundamentele vergelijkingen van de kwantummechanica, waardoor we kunnen uitleggen waarom deze specifieke moleculaire magneet zo goed presteert in vergelijking met eerdere ontwerpen,” zei professor Chilton.

“We konden dit bereiken door gebruik te maken van de massale rekenbronnen van de nationale computationele infrastructuur bij ANU en het Pawsey Supercomputing Research Center in West-Australië, inclusief hun grote banken van GPU-versnelde rekenknooppunten, om de tijdafhankelijkheid van de elektronenspins in dit moleculaire materiaal te simuleren.

“Dit heeft ons in staat gesteld om uit te leggen waarom dit nieuwe molecuul, met zijn lineaire opstelling van atomen in zijn kern, magnetisch geheugen kan tonen bij zulke hoge temperaturen. Dit molecuul zal nu dienen als een blauwdruk die vooruit gaat om het ontwerp van nog betere moleculaire magneten te begeleiden die hun gegevens kunnen behouden bij nog hogere temperaturen.

“In de meer dan 50 jaar sinds de release van de donkere kant van de maan is technologie met sprongen gevorderd. Het is opwindend om te bedenken hoe technologieën de komende halve eeuw zullen blijven evolueren.”

Dit onderzoek werd gezamenlijk geleid door de Universiteit van Manchester en ANU.