Mot en smartere fremtid

Systemer som gjør bruk av elektronets spinn kan gi oss avansert datalagring og smartere systemer.

Publisert
Stuart Parkins spintronic-strukturer har bidratt til å øke den magnetiske datalagringstettheten dramatisk. (Foto: Microstaq)
Stuart Parkins spintronic-strukturer har bidratt til å øke den magnetiske datalagringstettheten dramatisk. (Foto: Microstaq)

For ti år siden ga de oss magnetiske lesehoder som førte til en dramatisk økning i lagringstettheten.

Dr. Stuart S. Parkin, direktør for magnetoelektronikk gruppen på IBM’s Almaden Research Center i San Jose, California, mener at nanoteknologi som generisk teknologi for IKT-utvikling vil få enorm betydning i fremtiden.

Hans egen forskning er et bevis på betydningen teknologien allerede har hatt for de raske fremskrittene innen datalagring.

Parkin var hovedinnleder på Forskningsrådets NANOMAT-konferanse i Lillehammer denne uken.

Parkins forskningsområde er kalt spintronics, og er en teknologi som gjør bruk av elektronenes spinn og magnetiske moment – i tillegg til den elektriske ladningen – i faststoffstrukturer.

– Ved å spille på elektronets spinn, kan vi lage strukturer med helt ny funksjonalitet, som kan ligge til grunn for et nytt paradigme innenfor datautviklingen, spår Parkin.

Paradigmeskifte innenfor datalagring

Et slikt paradigmeskifte kan være representert av Parkins nye konsept for å lagre data, en ny teknologi kalt Racetrack Memory (RM).

Dette konseptet er ment å erstatte dagens mange utilstrekkelige datalagringssystemer ved å kombinere de beste egenskapene fra dem alle.

– Vi ser for oss et system som har høy lagringstetthet samtidig som det er billig, raskt og pålitelig.

Med et slikt system ville datamaskiner bli enklere og mindre, mer pålitelige, raskere og i tillegg bruke mindre energi, forklarer Parkin.

I stedet for å lage todimensjonale strukturer som gjøres stadig mindre, pakkes dataene her i en tredimensjonal mikrochip.

Denne består av en «skog» av vertikale, nanometer tynne «tråder» på en overflate, der magnetiske bits beveger seg frem og tilbake langs tråden.

– Det er den elektriske strømmen og elektronenes spinn som flytter domeneveggene og dermed «driver» magnetiske bits opp og ned langs tråden. Systemet har ingen mekaniske deler som beveger seg, og trenger bare én leseenhet for hver tråd i stedet for én for hver bit.

- Det vil bli mulig å lagre mye mer informasjon, forklarer Parkin.

På nanonivå

Parkins forskning på spintronic-strukturer bidro i sin tid til å revolusjonere magnetiske lesehoder, ved å bruke en effekt kjent som Giant Magnetoresistance (GMR).

Det var franskmannen Albert Fert og tyskeren Peter Grünberg som oppdaget GMR-effekten på slutten av 1980-tallet, og for denne oppdagelsen ble de tildelt Nobelprisen i fysikk i 2007.

Effekten beskriver store endringer i elektrisk motstand når man varierer magnetiseringen i magnetiske sandwich-strukturer på nanonivå.

Avhengig av tykkelsen på de enkelte sandwich-lagene vil magnetiseringen mellom lagene være parallell eller antiparallell, og de to tilstandene gir svært ulik elektrisk motstand.

Med ytre magnetfelt kan man så «snu» magnetiseringen slik at alle lagene får parallell magnetisering. Oppdagelsen var første skritt i retning av magnetiske lesehoder med mye større oppløsning enn tidligere.

– Vi må bygge intelligente systemer som kan forutse hva folk trenger og løse problemer for dem, sier Dr. Stuart Parkin. Foto: IBM
– Vi må bygge intelligente systemer som kan forutse hva folk trenger og løse problemer for dem, sier Dr. Stuart Parkin. Foto: IBM

– Jeg viste at GMR-effekten også kan finnes i strukturer som er langt billigere og raskere å fremstille enn de perfekte krystallene til Fert og Grünberg, såkalte sputterstrukturer.

– Dette åpnet for en mulig kommersialisering. I tillegg fant vi at man kan oppnå brukbare utslag i disse strukturene ved å bruke ganske små ytre magnetfelt, forklarer Parkin.

Dermed kunne små magnetiske «bits» i lagringsmediet snu magnetiseringene i sandwich-strukturene og føre til den ønskede endringen i elektrisk motstand, og slik lyktes forskerne i å lese de magnetiske signalene.

Allerede 7 år senere solgte IBM magnetiske lesehoder som åpnet opp for magnetisk datalagring med 1000 ganger høyere lagringstetthet.

Etterligner hjernen

Et annet pågående forskningsprosjekt i Parkins gruppe er knyttet til et nytt system som simulerer hvordan hjernen virker, og som på sikt skal kunne erstatte dagens transistorbaserte systemer. 

–  Hjernen utvikler seg når den blir brukt, og vi jobber nå med systemer der komponentene utvikler seg radikalt når de blir brukt. Her snakker vi om anvendelser som kanskje er 10 år frem i tid, sier han.

Lenke:

Forskningsrådets program: Nanoteknologi og nye materialer (NANOMAT)