Magnetische ‘egels’ kunnen grote gegevens opslaan in een kleine ruimte

Magnetische patronen op atoomschaal die lijken op de spikes van een egel, kunnen resulteren in harde schijven met een enorm grotere capaciteit dan de apparaten van vandaag, suggereert een nieuwe studie. De bevinding kan datacenters helpen de exponentieel toenemende vraag naar video- en cloudgegevensopslag bij te houden.

In een onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Wetenschap, gebruikten onderzoekers van de Ohio State University een magnetische microscoop om de patronen te visualiseren, gevormd in dunne films van een ongewoon magnetisch materiaal, mangaangermanide. In tegenstelling tot bekende magneten zoals ijzer, volgt het magnetisme in dit materiaal helices, vergelijkbaar met de structuur van DNA. Dit leidt tot een nieuwe dierentuin van magnetische patronen met namen als egels, anti-egels, skyrmions en merons die veel kleiner kunnen zijn dan de huidige magnetische bits.

“Deze nieuwe magnetische patronen kunnen worden gebruikt voor gegevensopslag van de volgende generatie”, zegt Jay Gupta, senior auteur van de studie en hoogleraar natuurkunde aan de Ohio State. “De dichtheid van opslag op harde schijven nadert zijn limiet, gerelateerd aan hoe klein je de magnetische bits kunt maken die die opslag mogelijk maken. En dat heeft ons gemotiveerd om naar nieuwe materialen te zoeken, waar we de magnetische bits veel kunnen maken kleiner.”

Om de magnetische patronen te visualiseren, gebruikten Gupta en zijn team een ​​scanning tunneling microscoop in zijn laboratorium, aangepast met speciale tips. Deze microscoop levert beelden van de magnetische patronen met atomaire resolutie. Hun afbeeldingen onthulden dat in bepaalde delen van het monster het magnetisme aan de oppervlakte was gedraaid in een patroon dat leek op de punten van een egel. In dit geval is het “lichaam” van de egel echter slechts 10 nanometer breed, wat veel kleiner is dan de huidige magnetische bits (ongeveer 50 nanometer), en bijna onmogelijk te visualiseren. Ter vergelijking: een enkele mensenhaar is ongeveer 80.000 nanometer dik.

Het onderzoeksteam ontdekte ook dat de egelpatronen op het oppervlak kunnen worden verschoven met elektrische stromen, of omgekeerd met magnetische velden. Dit is een voorbode van het lezen en schrijven van magnetische gegevens, waarbij mogelijk veel minder energie wordt verbruikt dan momenteel mogelijk is.

“Er is een enorm potentieel voor deze magnetische patronen om gegevensopslag energiezuiniger te maken”, zei Gupta, hoewel hij waarschuwt dat er meer onderzoek moet worden gedaan voordat het materiaal in gebruik kan worden genomen op een gegevensopslagsite. “We hebben nog een enorme hoeveelheid fundamentele wetenschap te doen om deze magnetische patronen te begrijpen en te verbeteren hoe we ze beheersen. Maar dit is een zeer opwindende stap.”