Stroom kijkt om de hoek voor supersnel magnetisch geheugen

Mondjesmaat worden er ook magnetische geheugenchips gebruikt, die de voordelen van snel werkgeheugen hebben maar zonder gegevens te verliezen bij afwezigheid van stroom. Deze chips zullen echter nog veel beter moeten presteren om de veel meer gebruikte geheugentypes van de troon te kunnen stoten. Zo kan het energiegebruik omlaag, alsmede de grootte van een enkele geheugencel.

Spin

Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben nu laten zien dat ze een magnetische geheugenchip kunnen maken die uiteindelijk veel sneller kan werken en minder stroom verbruikt dan het huidige magnetische geheugen.

Promovendus Arno van den Brink en collega’s gebruiken voor hun geheugencellen een magnetisch laagje van kobalt. Daarin slaan ze een bit op door de draairichting van elektronen in het materiaal – ook wel de spin genoemd – omhoog of omlaag te klappen. In bestaande magnetische geheugenchips wordt dat omklappen bereikt door een stroom door het bitje heen te sturen. De Eindhovense wetenschappers slaagden erin de spins om te draaien met een stroom die ónder het bitje doorloopt. In combinatie met een zogenoemde antiferromagnetische laag is zo’n stroom in staat om snel en zuinig informatie te schrijven. De resultaten zijn vorig week gepubliceerd in Nature Communications.

Zuiniger

Van den Brink en collega’s gingen aan de slag met het ontwerp van de magnetische geheugencel. “Een belangrijk onderdeel in die cel is de dunne magnesiumoxidelaag met veel weerstand die ervoor zorgt dat de informatie in de geheugencel blijft zitten”, zegt Van den Brink. “Bij het wegschrijven van informatie krijgt die laag een relatief grote stroomdichtheid te verduren, wat slijtage in de hand werkt. Dat probleem wilden wij oplossen.”

Recent werd ontdekt dat wanneer een stroom niet dwars op de geheugencel wordt gericht, maar er onderdoor loopt, de spins in de geheugencel óók omgeklapt kunnen worden. De stroom gaat als het ware de hoek om, zonder dat er een grote hoeveelheid stroom door de kwetsbare weerstandslaag heen hoeft. Deze stroom trekt de spins in de geheugencel vervolgens in een horizontale stand, in plaats van de gebruikelijke verticale richting. “Het ‘horizontaal’ beïnvloeden van de spins blijkt veel sneller en efficiënter, dan in de oude geheugencellen”, zegt Van den Brink.

Maar daarmee waren de natuurkundigen er nog niet, want nadat de stroom de geheugencel heeft beïnvloed, hebben de elektronen de neiging om alsnog een willekeurige verticale richting op te klappen. “In feite zou je geheugen dan waardeloos zijn”, zegt Van de Brink. “We hebben ontdekt dat we dit kunnen voorkomen door bovenop de geheugencel een laag antiferromagnetisch materiaal te leggen. Deze laag zorgt voor het juiste magneetveld dat de spins in het gareel houdt.”

Van de troon stoten

Zoals gezegd vindt magnetisch geheugen – ook wel MRAM genoemd – voorzichtig de weg naar de markt, waar tot nu toe het ‘klassieke’ werkgeheugen stevig op de troon zat. De verwachting is dat MRAM uiteindelijk niet alleen als werkgeheugen kan dienen, maar ook als langetermijnopslag, op basis van zuinigheid, snelheid én het feit dat het geen stroom nodig heeft om informatie vast te houden.

Van den Brink stelt zich nu al computers voor op basis van MRAM die ogenblikkelijk en steeds opnieuw aan en uit kunnen worden gezet, zonder dat ze vergeten waar ze mee bezig waren. Bovendien kunnen computers nóg zuiniger worden. “Als je het vergelijkt met de processor dan verbruikt het geheugen niet zoveel stroom,” zegt hij, “maar als je echt elke joule eruit wil persen dan wordt dit wellicht toch interessant. Bovendien kun je besparen door delen van chips aan- en uit te zetten.”