Razendsnelle dataopslag in nog kleinere stukjes materiaal, Nijmeegse onderzoekers hebben hierin een belangrijke stap gezet. Met korte, intense laserpulsen is het ze gelukt om bepaalde patronen van magnetische spins te maken. Dit zou een nieuwe manier kunnen worden om data rap in deze hele kleine patronen op te slaan. 

Ons groeiend gebruik van data vraagt om nieuwe manieren van opslag. De huidige technieken lopen tegen hun limiet. 'Als we niet willen dat de IT net zo veel energie gaat gebruiken als bijvoorbeeld de productie van staal, dan is dit soort fundamentele onderzoek nodig', zegt Johan Mentink, universitair docent bij de Radboud Universiteit. 'Weten we zo'n nieuwe techniek te ontwikkelen dan hebben we het al snel over een factor duizend energiezuiniger, theoretisch zouden het zelfs een factor miljard zuiniger moeten kunnen.'

Een directe collega van Mentink publiceerde al eerder over het opslaan van digitale informatie met behulp van laserlicht (lees ook: 'Micro-antenne voor snelle dataopslag met licht'). Nu is het gelukt om digitale informatie op een nog kleiner stukje materiaal op te slaan. De onderzoekers publiceerden deze resultaten maandagavond in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Materials.

 

Wervelend patroon

Het onderzoek van Mentink richt zich op het manipuleren van magnetische spin, een quantummechanische eigenschap die op macroschaal aan materialen hun magnetische karakter geeft. Een magneet bestaat uit vele spins die netto één kant op wijzen, zo bepalen de spins de noord- en zuidpool van de magneet.

Maar in sommige bijzondere magnetische materialen kunnen de magnetische spins ook wervelende patronen aannemen, zogeheten skyrmions. Deze magnetische wervelingen kun je zien als een soort knopen. Als de spins een keer in de knoop zitten, krijg je ze er niet zomaar uit, ze zijn daarom zeer zeer stabiel. Daarnaast kunnen ze heel klein gemaakt worden, nog kleiner dan de bits van circa 20 nanometer die nu gebruikt worden voor de opslag van data. Dat maakt deze magnetische wervelingen een goede kandidaat voor dataopslag.

 

Hoge berg

Dat laserlicht magnetische wervelingen kan vormen was al bekend. Echter is deze nieuwe methode van de onderzoekers veel sneller dan voor mogelijk werd gehouden.

Het kost behoorlijk wat energie om van de spins die allen één kant op staan naar een toestand met de magnetische wervelingen te gaan, je moet als het ware een hoge berg over. De onderzoekers hebben deze berg tijdelijk weten te verlagen door een korte, intense laserpuls te gebruiken.

Bijzonder aan de korte, intense laserpuls is dat deze specifiek de temperatuur van de elektronen in de magneet flink verhoogt, waardoor de drempel voor de faseovergang voor korte tijd lager is. 'De elektronen bereiken een enorm hoge temperatuur, zonder dat de rest van het materiaal kan opwarmen in deze tijd. Daardoor komt de magneet in een chaotische toestand waar we nog maar heel weinig kennis over hebben en dus nieuwe ontdekkingen verborgen kunnen liggen', legt Mentink uit.

 

Dichtheid verhogen

De snelheid van deze faseovergang hebben de onderzoekers geobserveerd met de Europese vrije-elektronenlaser in Hamburg (lees ook: 'Europees röntgenkanon van start'). Hiermee konden de wetenschappers met behulp van röntgenstraling de overgang live bekijken. Daarnaast hebben ze met een elektronenmicroscoop gevonden dat op een oppervlak van één vierkante micrometer tientallen magnetische wervelingen zitten.

'Individueel kunnen we deze nog niet aansturen, dus ze zouden op het moment allemaal nog dezelfde informatie opslaan', zegt Mentink. 'Maar als we dat in de toekomst wel kunnen, dan kunnen we de dichtheid van de dataopslag op een stukje magneet verder verhogen.'

 

Chaotische toestand

Computersimulaties hebben onthuld wat er gebeurt tijdens de faseovergang. Tijdens de overgang bevinden de magnetische wervelingen zich in een zogenoemde topologische fluctuatie toestand. Dit is een soort chaotische toestand waarin magnetische wervelingen constant verschijnen en verdwijnen. 'Deze toestand was nog niet eerder gezien', licht Mentink toe. 'Het opent een nieuw hoofdstuk in dit fundamentele veld.'

In de onderzoeksgroep willen ze deze ontdekking beter gaan begrijpen. Allereerst gaan ze op zoek naar direct experimentele bewijs van de chaotische tussentoestand die de computersimulaties nu laten zien. Maar ze willen ook heel graag snappen hoe ze de wervelingen individueel kunnen controleren zonder de magneet sterk te verwarmen. 'Het spannende is dat dit opnieuw fundamentele ontdekkingen vereist, omdat onze kennis van chaotische magnetische toestanden op deze korte tijdschaal nog zo beperkt is', zegt Mentink.

 

Beeld: Momentopname van de topologische fluctuatie fase berekend met computer simulaties. Gekleurde bollen zijn verschillende soorten skyrmions die zich gevormd hebben. Beeld: Bastian Pfau (Max Born Institute, Berlin).