Onderzoekers van onder meer de Radboud Universiteit Nijmegen hebben aangetoond dat de oriëntatie van een ferrimagnetisch materiaal onder invloed van de warmte van een laserpuls van 100 fs spontaan omklapt. Daarmee worden harde schijven mogelijk energiezuiniger en honderden malen sneller.


In een harddisk zitten meerdere ronde schijven van dun magnetisch materiaal. Daarop bevinden zich minuscule gebiedjes die de nullen en enen representeren. Wijzen binnen zo’n domeintje de spins van de atomen (de kwantummechanische eigenschap die stoffen hun magnetisme geeft) gezamenlijk omhoog, dan vormen ze een ‘1’. Bij een ‘0’ zijn ze allemaal omlaag gericht. De schrijfkop in de huidige harde schijven bestaat uit een zeer kleine elektromagneet die de magnetisatierichting van een domein kan omdraaien. Daar doet hij ongeveer 1 ns over, een tijdsduur waar de laatste jaren weinig vooruitgang meer in zit. Daarom zoeken wetenschappers naar andere manieren om de bits te switchen.
 

Laserpuls richt een bit

Een internationaal team van wetenschappers laat nu zien dat een ultrakorte laserpuls in een dunne laag metaal voor snelle opwarming zorgt, waarna de magnetisatie uit zichzelf van richting verandert. Bij elke nieuwe puls klapt de bit opnieuw om. ‘Dit was een enorme verrassing voor ons allemaal’, zegt dr. Alexey Kimel van de Radboud Universiteit Nijmegen. Want ondanks dat temperatuur een grootheid zonder richting is, blijkt een temperatuursverhoging een bit te kunnen richten.
 

Gadolinium wint

De onderzoekers gebruiken een legering van vooral ijzer en gadolinium, een zeldzaam aardmetaal. Die twee soorten atomen zitten om en om in een kristalrooster en vormen zo een zogeheten ferrimagnetisch materiaal. Beide sets atomen hebben een eigen magnetische oriëntatie, die tegen elkaar in wijzen. Omdat gadolinium van nature sterker magnetisch is, heeft het macroscopische materiaal de magnetisatie van het gadolinium.

‘Wanneer we dit materiaal langzaam zouden verhitten, zou het zijn magnetische oriëntatie verliezen’, geeft Kimel aan. Daarom beschijnen de onderzoekers de bit met een laserpuls van slechts 100 fs (1 femtoseconde = 10-15 s). Die zorgt ervoor dat alleen de ijzeratomen hun gezamenlijke oriëntatie verliezen; het gadolinium reageert veel trager. De spins in het ijzer wijzen nu heel even alle kanten op, maar willen zich vervolgens graag parallel aan de gadoliniumspins richten. Het materiaal koelt echter snel af en in die meer vaste staat gaan de spins in het gadolinium tegen die van het ijzer in staan. Omdat de gadoliniumatomen een sterker magnetisme hebben, is het resultaat uiteindelijk dat de magnetisatie van het gehele stukje materiaal is omgeklapt, enkele picoseconden na uitzenden van de laserpuls.
 

Snellere harde schijven

Hoe dit mechanisme precies werkt, begrijpen de onderzoekers nog niet helemaal, zo geven ze toe. Maar in experimenten bleek dat het schakelen met de laserpuls keer op keer was te herhalen: elke ‘0’ werd een ‘1’ en elke ‘1’ een ‘0’, steeds weer opnieuw (zie figuur hieronder). Harde schijven zouden hiermee op termijn honderden keren sneller kunnen gaan werken. Mooie bijkomstigheid is dat het ze ook een stuk zuiniger zou maken. ‘Er zijn dan geen elektromagneten meer nodig, die veel stroom gebruiken’, aldus Kimel.