12 september 2018

Nature publicatie

Snellere en minder warme computers dankzij roest

Schematische weergave van een magnon of spingolf
Schematische weergave van een magnon of spingolf

Het hoofdbestanddeel van roest is een goedkoop en veelbelovend materiaal om snellere ICT-toepassingen mogelijk te maken terwijl daarbij minder warmte vrijkomt. Dit blijkt uit een combinatie van experimenteel en theoretisch onderzoek van natuurkundigen van de Johannes Gutenberg Universität Mainz in Duitsland, de Norwegian University of Science and Technology (NTNU) en Rembert Duine en Scott Bender van de Universiteit Utrecht. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature van 13 september.

Bits en bytes worden nu verwerkt en verstuurd door elektronische componenten, zoals transistors verbonden door bedrading op een chip. Hierbij produceren ze vrij veel warmte waardoor ook de snelheid waarmee ze informatie kunnen versturen begrensd is. Deze eigenschappen belemmeren ontwikkelingen in de ICT, waarvoor zulke componenten kleiner, sneller en vooral niet warmer moeten worden. De Nature-publicatie laat nu zien dat een groep magnetische materialen, de anti-ferromagneten, een goedkoop en veelbelovend alternatief zijn voor sneller informatietransport met minder warmteproductie. Bijkomend voordeel hiervan is dat kostbare energie kan worden bespaard.

Magnetische golf

Ferromagnetische materialen, zoals ijzer, bestaan uit kleine magneetjes, domeinen, die allemaal hetzelfde georiënteerd zijn en daardoor op dezelfde manier reageren op een magnetisch veld. Anti-ferromagnetische materialen, zoals roest (ijzeroxide), bestaan uit microscopisch kleine magneetjes die in tegengestelde richtingen georiënteerd zijn. Beide oriëntaties wisselen elkaar af in een geordend patroon, waardoor de magnetische velden elkaar opheffen. Wel is het mogelijk om in deze materialen een magnetische golf te creëren, die een magnon of spingolf wordt genoemd. In anti-ferromagnetische materialen zijn het deze magnons die de bits en bytes aan informatie kunnen transporteren.

Schematische weergave van het experiment
Een elektrische stroom in een platinadraad (l.) creëert een magnetische golf in het anti-ferromagnetische ijzeroxide (rode en blauwe golven), die via een tweede platinadraad gemeten wordt als een spanningsverschil (r.). De pijlen geven het anti-ferromagne

Sneller en kleiner

ICT gebaseerd op anti-ferromagnetische onderdelen, kan mogelijk duizenden keren sneller zijn dan de huidige technologieën. Bovendien is de warmteproductie door magnons in principe veel lager. Daardoor zouden hiermee nog veel kleinere componenten met tegelijkertijd een hogere informatiedichtheid gemaakt kunnen worden.

Grote afstanden

In hun experimenten stuurden de onderzoekers een elektrische stroom door platinadraden op het isolerende ijzeroxide. Dit leidt tot energieoverdracht van het platina naar het ijzeroxide, waardoor magnons ontstaan. Uit de experimenten blijkt het mogelijk via het ijzeroxide informatie te versturen over de grote afstanden die nodig zijn voor ICT-toepassingen.

Tien tot vijftien jaar

Rembert Duine
Rembert Duine

“Deze uitkomsten laten zien dat anti-ferromagnetische materialen in principe geschikt zijn om de huidige componenten te vervangen. Snelle devices gebaseerd op deze technologie liggen nu binnen bereik”, aldus Dr. Romain Lebrun van de Johannes Gutenberg Universität.” Volgens Rembert Duine van de Universiteit Utrecht en de TU Eindhoven, kan deze techniek in tien tot vijftien jaar toegepast worden.

Publicatie

‘Electrically tunable long-distance transport in crystalline antiferromagnetic iron oxide’
R. Lebrun, A. Ross, SA Bender *, A. Qaiumzadeh, L. Baldrati, J. Cramer, A. Brataas, RA Duine*, & M. Kläui’
Nature, 13 september 2018,

*Verbonden aan de Universiteit Utrecht; Rembert Duine is ook parttime hoogleraar Spin-based Nanoelectronics aan de Technische Universiteit Eindhoven.

Lees meer

  • Het principe van deze studie is hetzelfde als beschreven in een publicatie in Nature Physics 2015 door Rembert Duine en collega's, maar dan met ferromagnetische materialen. Lees ook het persbericht.
  • Vorig jaar publiceerden Scott Bender en Rembert Duine samen met de collega's van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie een paper over ‘Spin Transport Through Anti-ferromagnets’ in Physical Review Letters.

Dit onderzoek is mede-gefinancierd door de European Research Council en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).