Samenwerking Universiteit Białystok en Nijmegen leidt tot innovatie
Er wordt meer en meer informatie opgeslagen in zogeheten datacenters. Hierbij komt veel warmte vrij waardoor koeling veel energie kost. Veel data opslaan met minimale energie is dan een soort heilige graal. Onderzoekers uit Nijmegen en het Poolse Białystok hebben hier een belangrijke stap in gemaakt. De onderzoekers (A. Stupakiewicz, K. Szerenos, D. Afanasiev, A. Kirilyuk & A. V. Kimel) publiceren hierover in het tijdschrift Nature onder de titel: 'Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in transparent medium'.
Hieronder het bericht van de site van de Radboud Universiteit waarin wordt geschetst hoe zit met lasertechnologie oplossen.
Magnetische opslag mét licht, zónder hitte: het kan toch
Datum bericht: 18 januari 2017
Veel data opslaan met behulp van licht zonder dat er hitte vrijkomt. Het kan wél, ontdekten onderzoekers van de universiteit van Bialystok in Polen en de Radboud Universiteit. Ze gebruikten daarvoor - in plaats van metaal - kobaltgranaat, een glasachtig, transparant materiaal. Nature publiceert dit resultaat op 18 januari 2017.
Betrouwbare, goedkope, en snelle dataopslag is voor de economie van de eenentwintigste eeuw wat olie was voor de vorige. Magnetische opslag doet het wat dat betreft uitstekend, alleen zorgt de snel toenemende vraag naar opslagcapaciteit in de cloud – al ons Facebook- en Whatsappverkeer bijvoorbeeld - ervoor dat datacenters oververhit raken en er veel energie nodig is om hun processoren te koelen. De nieuwste methode om data op te slaan, de Heat Assisted Magnetic Recording of HAMR, zal dat probleem niet oplossen. Deze techniek gebruikt juist extra warmte door verwarming met een laser en een magnetische veld van een elektromagneet. Supersnelle magnetische opslag zónder hitte te produceren en zonder elektromagneten te gebruiken, is dan ook een grote uitdaging voor fundamenteel en toepast magnetismeonderzoek.
Exotisch idee werkt wel degelijk
Al meer dan tien jaar zoeken Radboud-onderzoekers naar manieren om licht te gebruiken om magnetisatie te beïnvloeden, wat professor Theo Rasing en zijn collega’s in 2007 voor het eerst lukte. Aanvankelijk gebruikten ze de warmte van een laserpuls voor het omzetten van de magnetisatierichting (een bit van een 0 in een 1 veranderen). Probleem daarbij was dat de temperatuur zo hoog werd dat die dicht bij de zogenaamde Curie-temperatuur kwam. Boven deze temperatuur verdwijnt de magnetische ordening van een materiaal en verdwijnen daarmee dus ook de opgeslagen data.
De volgende stap in de zoektocht werd dan ook die naar een materiaal waarin licht de magnetisatie kon veranderen zonder hitteproductie – een idee dat aanvankelijk nauwelijks te financieren was omdat het plan te exotisch leek. Met de publicatie in Nature krijgt de volhardende Alexey Kimel, natuurkundige aan de Radboud Universiteit, gelijk: het kán wel.
Geen metaal maar granaat
‘We zochten een materiaal dat weinig licht absorbeert. We zijn begonnen met experimenten in granaat: yttrium-ijzergranaat wordt al veel gebruikt in magneetonderzoek. Maar het bleek ongeschikt voor dataopslag met licht – het effect van licht was te klein. Daarom hebben we de gevoeligheid vergroot door kobalt-ionen aan het kristal toe te voegen.’ Door de toevoegingen konden magnetische spins razendsnel worden omgepoold, zonder dat er warmte vrij kwam. (toelichting hieronder)
Kobaltgranaat is een glasachtig, transparant materiaal. De onderzoekers gebruiken kleine stukjes voor hun experimenten.
Toepassing in data centers en supercomputers
Kimel denkt niet dat zijn vinding snel zal worden toegepast in gewone computers, daarvoor is de overstap van metallische opslagmaterialen naar granaatfilm te groot. Wel zou het interessant kunnen zijn voor grote data-opslagcentra als die van Google en Facebook én voor de opslag bij de lage temperaturen waarop supergeleiding-elektronica en quantumcomputers waarschijnlijk zullen werken. Het ontbreken van een geheugensysteem dat kan werken op temperaturen lager dan 10 Kelvin (-263 graden Celcius) en op hoge snelheid was tot nu toe een van hardnekkige obstakels voor supergeleiding-computing.
Toelichting
Kobaltionen hebben een sterke spin-orbit-interactie. Dat is de koppeling van het magnetisch moment aan de rondgaande beweging van de elektronen. Licht kan deze rondgaande beweging verstoren en daarmee de magnetisatie beïnvloeden. Het effect is zo sterk dat de onderzoekers met een enkele laserpuls van 40 femtoseconden (1 femtoseconde is gelijk aan 10-15 seconde of een miljoenste van een biljardste van een seconde) de magnetische spins konden ompolen: de onderzoekers konden gecontroleerd nullen en enen schrijven op de granaatfilm en die ook weer uitlezen in minder dan twintig picoseconde (1 picoseconde is gelijk aan 10-12 seconde of een miljoenste van een miljoenste seconde). Hierbij kwam praktisch geen warmte vrij. De onderzoekers legden het proces vast met hun ultrasnelle camera.
Van de Polen in Beeld Redactie: De Curie-temperatuur
De Curie-temperatuur waar in het artikel sprake van is, is vernoemd naar de Fransman Pierre Curie. Hij is de echtgenoot van Marie Skłodowska-Curie. De pionier van radioactiviteit en tweevoudige Nobelprijs winnares van Poolse origine. Zo ontdekte zij de elementen polonium en radium. Het mag duidelijk zijn waar de inspiratie van de naam van het eerste element vandaan kwam.
