De toekomst van magnetische dataopslag

In de laatste 40 jaar hebben wij een enorme toename van zowel het rekenvermogen als de dataopslagcapaciteit van computers gezien. Met name zijn de harde schijven en de technologie van magnetische data opslag ongelofelijk vooruitgegaan. Hier is “ONGELOFELIJK” een correct woord. Het is moelijk om te geloven hoe dramatisch de dichtheid, snelheid en effectiviteit van magnetische data opslag verbetterd werden. Als de auto-industrie sinds jaren de 60 zich op een gelijkwaardige manier ontwikkeld had, zouden wij nu een auto kunnen kopen die (zo veel) mensen binnen (zo kort) naar de maan zou brengen en het reisje zou (zo veel gasoline) zijn.

In 1965 formuleerde de Amerikaanse chip-fabrikaant Gordon Moore zijn voorspelling voor de ontwikkeling van de computertechnologie. Volgens hem zou elke anderhalf jaar het aantal componenten op een chip verdubbeld worden en de rekenkracht van computers exponentieel toenemen. Deze “wet van Moore” werkte tot grote verbazing erg goed voor het rekeningvermogen en ook de technologie voor magnetische data opslag leek een zelfde exponentiele groei te laten zien. Maar in jaren 80 bleek dat het verder doorvoeren van miniaturisatie van magnetische bits niet langer alleen afhankelijk was van technologische vooruitgang, maar ook gehinderd werd door fundamentele fysische barrières. Een aspect was dat de zeer kleine magnetische bits tot problemen bij uitlezen van de magnetische informatie leidde omdat de huidige technologie niet gevoelig genoeg was.

In 1988 hebben Fert en Grünberg een oplossing van dit probleem gevonden. Onafhankelijk van elkaar ontdekkden zij het Giant Magneto- Resistance effect.  Jaren lang wisten onderzoekers dat een magnetisch veld een elektrische weerstand kon veranderen, maar het effect van magneto-weerstand was te klein om toe te passen. Dankzij moderne nanotechnologie hebben Grünberg en Fert gevonden dat een invloed van magnetisch veld aan weerstand van nanomagnetische gestructureerde materialen gigantisch kan worden. Het geldt voor een cake-achtige structuur met nanometers dunne lagen van magneische materiaal (net zo als ijzer of nikkel) gescheiden door een dunne laag van niet magnetisch materiaal (bijvoorbeeld chromium).

Experimenten van Grünberg en Fert lieten zien dat kleine verandering in een magneetveld een grote verandering in de elektrische weerstand van deze structuren kan veroorzaken. De ontdekking leidde tot ontwikkeling van zeer gevoelige sensoren voor magnetische velden leverde een methode om zeer klein magnetische bits te lezen. Op die manier, werd een bestaande fundamentele fysische drempel overbrugd.

Hoewel dus momenteel de dichtheid tot het volgende niveau van Tbit/inch2 uitvoerbaar schijnt te zijn, ziet nu de technologie van data opslag een volgend fundamentele fysische barrière opreizen. Nu begint de snelheid van opname en verwerking van magnetische informatie haar fundamentele en praktische grenzen te bereiken. Inderdaad, in een moderne harde schijf zitten rond de 2 biljoen magneetjes. Om informatie over te dragen, moeten die magneten zeer snel schakelen. Die schakeling wordt veroorzaakt door een elektromagneet. Staat de stroom aan, dan wordt een magneetveld opgewekt en schakelt de magneet 180 graden om. Hoe sneller de stroom aan- en uitgeschakeld wordt, hoe sneller de harde schijf wordt. Er zit echter een beperking aan de schakelsnelheid van stroom: op zijn snelst is die een paar nanoseconden per schakeling. Kan magnetische data opslag ooit sneller worden? Vanuit een fundamenteel oogpunt leek dit de limiet of bijna de limiet te zijn.

Nog recentelijk werd er in de wetenschappelijke literatuur beweerd dat veel sneller data opslag een onmogelijk idee zou zijn. Is het de eindhalte voor magnetische data opslag? Never say never! Onderzoekers in Nijmegen hebben echter een geheel alternatieve methode gevonden die deze snelheidslimiet met gemak achter zich laat: zij gebruikten een circulair gepolarizeerdelichtflits die slechts 40 femtoseconde duurde, d.w.z. zo’n honderduizend maal sneller dan de huidige limiet! (een femtoseconde is een miljoenste deel van een miljardste seconde).

Wetenschappers over de hele wereld vielen over de Nijmeegse  onderzoekers heen. Magneten beïnvloeden met licht kán niet, schreef de een;. Laserlicht heeft niet voldoende impulsmomentum, liet een ander weten. Vorig jaar nog kwam er een boek uit over magnetisme, waarin het idee als volslagen onmogelijk werd afgedaan. Op zich ook niet zo vreemd: de huidige, op de thermodynamica gebaseerde theorieën, hebben ook geen verklaring voor deze ultrasnelle magnetische dynamica. Blijkbaar zijn laatste pagina’s van fysica van magnetism en magnetische data opslag nog niet geschrieven. The show must go on!

Theo Rasing en Aleksei Kimel zijn resp. hoogleraar en onderzoeker Experimentele vastestoffysica aan de Radboud Universiteit.