De wetenschappers van het Nijmeegse Institute for Molecules and Materials verrasten de wereld al ruim een jaar geleden met hun baanbrekende resultaten, met een publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters. Inmiddels hebben ze er ook octrooi op verkregen en voor onderzoeker Daniel Stanciu volgt op 3 oktober een volgend hoogtepunt, als hij voor het onderzoek zijn doctorstitel krijgt. De Radboud Universiteit publiceerde naar aanleiding van die promotie een nieuwsbericht dat inzicht biedt in de essentie van het onderzoek.

Intense lichtflitsen

Magnetisch ompolen, het met een magneet omkeren van het magnetisch veld, ligt aan de basis van de opslagtechniek in de meeste harddisks. Die bevatten dunne lagen magnetisch materiaal met minuscule domeintjes die met behulp van een magnetische schrijfkop gericht worden. Dat gaat heel snel – in een paar nanoseconden. Maar met licht blijkt het nog véél sneller te kunnen.

De Nijmeegse onderzoekers gebruikten zeer intense lichtflitsen van slechts 40 femtoseconden. Daarmee kan de nieuwe techniek in principe meer dan tienduizend keer sneller gegevens opslaan dan de huidige volledig magnetische systemen.

De experimenten zijn gedaan met een dunne film van gadolinium, ijzer en kobalt (GdFeCo). Met behulp van een polarisatiemicroscoop kan het verschil in magnetisatierichting in het materiaal zichtbaar worden gemaakt. Zo kan het effect van een bewerking worden geobserveerd.

De opstelling is zo opgebouwd:

Links komen extreem korte pulsjes infrarood laserlicht uit een titaan-saffierlaser. De golflengte van het licht is 800 nanometer en de pulsjes duren slechts 40 femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde). De lichtpulsjes zijn eerst lineair gepolariseerd (1) maar krijgen met behulp van een soort polarisatieschakelaar een circulaire polarisatie (2). Daarna valt het licht op het dunne magnetische laagje opgebouwd uit gadolinium, ijzer en kobalt (GdFeCo).

Om te onderzoeken wat daar precies gebeurt kijken de onderzoekers met behulp van gepolariseerd licht (a) door een microscoop (b), waarbij ze met een camera © foto’s en filmpjes kunnen maken. Wat er dan kan gebeuren zie je hieronder:

Links is de magnetische laag te zien vóór interactie met het laserlicht. De lichte delen hebben een naar boven gericht magnetisch domein (M+), bij de donkere delen is de magnetisatie van de domeinen precies andersom (M-).

Rechts kun je zien wat er gebeurt bij het ‘beschrijven’ van de dunne magnetische laag met de laserbundel. De onderzoekers hebben er met een schrijfsnelheid van ongeveer 30 micrometer per seconde drie strepen op gezet. De bovenste, lichte streep (+) is gemaakt met rechtsdraaiend gepolariseerd licht; daardoor wordt de magnetisatie in de hele streep naar boven gericht. De onderste, donkere streep (-) is gezet met linksdraaiend gepolariseerd laserlicht; daarbij krijgen de domeinen in de dunne laag een magnetisatie naar beneden. Bij de streep in het midden (L) is lineair gepolarizeerd licht gebruikt. Hiermee wordt de magnetisatie niet gericht, zodat er een multi-domein toestand ontstaat.

Zoals al vermeld zijn met de opstelling niet alleen foto’s maar ook filmpjes te maken:

SSI staat voor de naam van de onderzoeksgroep: Spectroscopy of Solids and Interfaces.

Spervuur van lichtpulsen

Dit ziet er mooi uit, maar het gaat tergend langzaam in vergelijking met de schrijfsnelheden in harddisks. Voor echt snelle gegevensopslag moet een aantal voorwaarden vervuld worden.

Ten eerste zou één korte laserpuls voldoende moeten zijn om de magnetisatie van de dunne laag lokaal te veranderen. Om te controleren of dat met deze techniek mogelijk is, haalden de onderzoekers een spervuur van lichtpulsen (duizend pulsen per seconde) met relatief grote snelheid (vijf centimeter per seconde) over het GdFeCo preparaat. En dat werkte: het stippenpatroon toont aan dat de magnetisatie óók verandert door één ultrakorte puls.

Aan de stipjes is nu dus te zien dat in 40 femtoseconde één bit informatie is op te slaan. Dat is zo’n tienduizend keer sneller dan bij de volledig magnetische systemen in de huidige harddisks. Maar met één bit schrijven ben je er niet. Bij gegevensopslag gaat het om véél bits en dus zal de laser ook véél stipjes per seconde moeten kunnen zetten – veel meer dan de duizend per seconde die de laser in het Nijmeegse laboratoria in zijn mars heeft. Aan de ontwikkeling van dergelijke hoogfrequent gepulste femtosecondelasers wordt door de industrie al gewerkt, laat de Nijmeegse onderzoeksleider professor Theo Rasing weten.

Bits naast elkaar

Hoe je dan precies die vele bits naast elkaar in een magnetische laag kunt opslaan hebben de onderzoekers inmiddels ook laten zien: door verandering van de polarisatie van het laserlicht terwijl de laser over de laag beweegt. Aan de halve maantjes is te zien hoe op deze manier kleine gebiedjes in de dunne laag opslagmateriaal ontstaan die steeds een andere magnetisatierichting hebben:

Tot zover zou je denken dat het Nijmeegse onderzoek de ultrasnelle harddisk binnen handbereik heeft gebracht. Maar er is nog een klein probleempje. Want als je gegevens heel snel kunt wegschrijven, moet je wel voldoende opslagcapaciteit hebben om dat werkelijk te kunnen doen. En daar zit nog een lastig probleem. De doorsnede van de laserspot bedraagt nu ongeveer 5 micrometer (een micrometer is een duizendste millimeter) en dat resulteert in veel grovere bits dan in de bestaande harddisk systemen. Een 500 gigabyte harddisk zou dus met de Nijmeegse techniek wel heel snel volgeschreven kunnen worden, maar hij zou ook ontzettend groot moeten zijn.

Rasings team is al bezig om daar een mouw aan te passen. Het idee is om het ultrasnelle schakelen toe te passen op magneetjes met afmetingen van enkele tientallen nanometers. Dat is 10 tot 100 maal kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht en dat is optisch gezien lastig te realiseren. Maar hoogleraar Rasing denkt deze uitdaging tot een goed einde te kunnen brengen. Als het lukt, dan ligt de ultrasnelle en bovendien ultrakleine harddisk écht binnen handbereik.