Energiezuinige dataopslag met licht is doorbraak naar fotonisch geheugen

Licht is de meest energie-efficiënte manier om informatie mee te verzenden. Het is alleen niet eenvoudig om licht op te slaan. Vandaar dat datacenters nu nog steeds gebruik maken van magnetische harde schijven, maar daarmee kost het versturen van informatie dan weer erg veel energie. Onderzoekers van het Institute of Photonic Integration aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) presenteren vandaag in het tijdschrift Nature Communications een ‘hybride techniek’ die de voordelen van licht en magnetische opslag combineert. Ultrakorte lichtpulsen maken het mogelijk om gegevens direct in een magnetisch geheugen te schrijven op een snelle en zeer energiezuinige manier. Volgens de onderzoekers belooft dit een revolutie teweeg te brengen in de gegevensopslag in toekomstige fotonische chips.

Gegevens worden op een harde schijf opgeslagen in de vorm van ‘bits’, minuscule magnetische domeinen met een noordpool en een zuidpool. De richting van deze polen (‘magnetisatie’) bepaalt of de bits een digitale 0 of een 1 bevatten. Het schrijven van de gegevens wordt bereikt door de richting van de magnetisatie van de bijbehorende bits ‘om te schakelen’.

Synthetische ferrimagneten

Conventioneel vindt het schakelen plaats door een extern magnetisch veld aan te leggen, die de richting van de polen ofwel omhoog (1) of omlaag (0) dwingt. Een alternatief is om het schakelen optisch te doen, door gebruik te maken van een zeer korte (femtoseconde) laserpuls. Hiermee kan de opslag van gegevens potentieel sneller en efficiënter gebeuren. “Optisch schakelen voor dataopslag is al ongeveer een decennium bekend”, zegt Mark Lalieu, promovendus bij de faculteit Technische Natuurkunde van de TU/e. “Het schakelen van de magnetisatie in materialen die conventioneel gebruikt worden in de spintronica vereist echter meerdere laserpulsen en dus kost het schrijven teveel tijd en energie.”

Duizend keer sneller

Lalieu was in staat om, onder begeleiding van Reinoud Lavrijsen en hoogleraar Bert Koopmans, het optisch schakelen te realiseren in zogeheten synthetische ferrimagneten – materialen die zeer geschikt zijn voor spintronicatoepassingen. Dit lukte met een enkele femtoseconde laserpuls, waardoor het schrijven van gegevens energiezuinig én snel gebeurt. Lalieu: “Deze manier van schakelen is ongeveer 100 tot 1000 keer sneller dan wat mogelijk is met de technologie van vandaag. Bovendien, omdat de optische informatie wordt opgeslagen in magnetische bits zonder dat hierbij energieverslindende elektronica nodig is, heeft dit enorme potentie voor toekomstig gebruik in fotonische computerchips. ”

‘On-the-fly’ data schrijven

Bovendien combineerde Lalieu het optisch schakelen met het zogenoemde racetrackgeheugen, een magnetische draad waardoorheen de gegevens, in de vorm van magnetische bits, efficiënt worden getransporteerd met behulp van een elektrische stroom. In dit systeem worden magnetische bits continu met licht opgeslagen en onmiddellijk langs de draad getransporteerd door de elektrische stroom, waardoor ruimte vrijkomt voor lege magnetische bits en dus nieuwe gegevens worden opgeslagen. Koopmans: “Dit ‘on the fly’ kopiëren van informatie tussen licht en magnetische racebanen, zonder tussenliggende elektronische stappen, is als het heen en weer springen tussen twee rijdende hogesnelheidstreinen, in plaats van dat je moet overstappen op een station. Je kunt je voorstellen hoeveel sneller en energiezuiniger dat is.”

Het ‘on-the-fly’ schrijven van gegevens in een racetrack geheugen. De magnetische bits (enen en nullen) worden geschreven door laserpulsen (rode puls, linkerkant). Deze bewegen vervolgens over de racetrack (zwarte pijlen). In de toekomst kan de data mogelijk ook weer optisch worden uitgelezen (rode puls, rechterkant).

Optisch uitlezen

Dit onderzoek werd gedaan met microdraden. In de toekomst moet verkleind worden naar de nanoschaal om beter te kunnen samengaan met computerchips. Om de integratie van een fotonisch computergeheugen compleet te maken werkt de onderzoeksgroep Physics of Nanostructures ook aan het optisch uitlezen van de (magnetische) data.

Foto boven artikel: Artistieke impressie van het optische schakelen van magnetische bits. Een laserpuls (rood) verandert de richting van de magnetisatie en bepaalt daarmee of het een 0 of een 1 wordt.

Bron: TU Eindhoven