Datacenters over de hele wereld gebruiken enorm veel stroom voor de magnetische opslag van gegevens. De Nederlandse datacenters zijn goed voor bijvoorbeeld al zo’n 3 procent van het totale stroomverbruik. Door een nieuwe methode die met laserlicht magneten beïnvloedt, kan die opslag sneller, goedkoper en efficiënter. Dat bespaart stroom en leidt uiteindelijk ook weer tot een kleinere CO2-footprint.
Magneten bestaan uit allemaal kleine magneetjes die spins worden genoemd. Normaal gesproken wijzen de spins allemaal in dezelfde richting en bepalen daarmee de noord- en zuidpool. Maar het komt ook voor dat de richtingen van spins samen een wervelend patroon vormen. Dit wordt een skyrmion genoemd.
Magnetische spins omzetten met laserlicht
Het was al bekend dat je een patroon van magnetische spins kunt omzetten met laserlicht. Natuurkundigen hebben nu een nieuwe route ontdekt waardoor dit heel snel kan. Namelijk in minder dan 300 picoseconden (een miljoenste van een miljoenste seconde).
‘Die skyrmions in magneten zijn aantrekkelijk voor nieuwe vormen van dataopslag’, vertelt Johan Mentink, natuurkundige aan de Radboud Universiteit. Nijmeegse wetenschappers zoeken al lange tijd naar optimale manieren om magnetisme met laserlicht te controleren, om het uiteindelijk ook te gebruiken voor efficiëntere dataopslag. Bij deze techniek worden korte lichtpulsjes op een magnetisch materiaal afgevuurd en daarmee de magnetische spins in het materiaal omgepoold, waardoor een bit van een 0 in een 1 verandert.
Veel meer data opslaan op kleiner oppervlak
Er is grote behoefte aan snellere en efficiëntere manieren van dataopslag. Steeds meer gegevens worden in de ‘cloud’ opgeslagen. Daarvoor zijn die gigantische energieslurpende datacenters nodig. Magnetische skyrmions kunnen een oplossing bieden voor dit probleem. Ze zijn van zichzelf al heel klein, en doordat je ze met licht heel snel kan creëren. Daardoor kan in potentie heel snel en efficiënt heel veel informatie worden opgeslagen op een klein oppervlak.
De overgang tussen twee toestanden in een magneet – van spins één richting uit naar een skyrmion – kun je zien als een hoge bergtop waar je overheen moet. Je kunt, zo hebben de onderzoekers uitgevonden, als het ware de bergpas afsnijden door het materiaal heel snel en kort te verwarmen met een laserpuls. De drempel voor de faseovergang wordt hiermee heel kort lager gemaakt.
Vrije-elektronenlaser in Hamburg
Het bijzondere van deze nieuwe route is dat het materiaal eerst in een hele chaotische toestand wordt gebracht, waarbij de topologie, oftewel het aantal skyrmions in het materiaal, sterk fluctueert. De onderzoekers hebben deze route alleen kunnen vinden door röntgenstraling van de Europese vrije-elektronenlaser in Hamburg te combineren met supergeavanceerde elektronenmicroscopie en spindynamica-simulaties. ‘Daarmee is het onderzoek een enorme teamprestatie’, benadrukt Mentink.
‘Fundamentele vinding’
Met deze fundamentele vinding is een nieuw hoofdstuk in de topologie aangebroken. ‘Ik verwacht nu dat veel meer wetenschappers gaan zoeken naar vergelijkbare snelle manieren om “de bergpas af te snijden” in andere materialen,’ aldus Mentink.
Het onderzoek werd op 5 oktober gepubliceerd in Nature Materials.
Het onderzoek was een samenwerking tussen MIT (Boston), Max-Born-Institut (Berlijn), Johannes Gutenberg Universität (Mainz), European XFEL (Hamburg), Technische Universität Berlin, Universität Göttingen, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Universität Heidelberg, Politecnico di Milano en Radboud Universiteit.
Ook interessant: doorbraak naar fotonica geheugen
