04/01/2017
Door Ad Spijkers
Onderzoekers uit Dresden en Basel hebben de basis gelegd voor een nieuw concept voor geheugenchips. Ze gebruiken duidelijk minder energie dan de huidige werkgeheugens.
De huidige elektrische geheugenchips hebben een belangrijk nadeel: ze zijn zo vluchtig dat ze permanent moeten worden ververst, wat relatief veel energie kost. Rekencentra kampen daarom met steeds hogere stroomrekeningen en steeds problematischer warmteafvoer.
Een alternatief vormen zogeheten MRAM's (Magnetic Random Access Memory). Deze slaan hun data magnetisch op en hoeven dus niet steeds ververst te worden. Maar er zijn relatief grote stromen nodig om de data naar de geheugens te schrijven, wat de betrouwbaarheid niet ten goede komt.
Als alternatief staan magneto-elektrische antiferromagneten in de belangstelling. Deze worden niet door stroom maar door een spanning geactiveerd. Maar het is moeilijk om ze met data te beschrijven en weer uit te lezen.
Chroomoxide en platina
Tot nu toe werd aangenomen dat men deze componenten alleen indirect via ferromagneten kan uitlezen, wat veel voordelen teniet doet. Ontwikkelaars werken daarom aan een antiferromagnetisch magneto-elektrisch geheugen (AF-MERAM). Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Universität Basel ontwikkelden een prototype op basis van een flinterdunne laag uit chroomoxide.
De laag chroomoxide is tussen twee nanometer dunne elektroden ingelegd. Legt men over de elektroden een spanning aan, dan gaat het chroomoxide over in een andere magnetische toestand: de bit is geschreven. Slechts een paar Volt is voldoende. In vergelijking met andere concepten konden de onderzoekers de spanning met een factor vijftig verminderen. Daardoor kunnen ze een bit schrijven zonder dat de component veel energie verbruikt en warm wordt.
Een uitdaging was de geschreven bit weer uit te lezen. Hiertoe brachten de fysici een nanometerdunne platinalaag op het chroomoxide aan. Het platina maakt uitlezen mogelijk via een speciaal elektrisch fenomeen: het anomale Hall-effect. Het eigenlijke signaal is gering en wordt door stoorsignalen gesuperponeerd. De onderzoekers konden echter een methode ontwikkelen die de ruis van stoorsignalen onderdrukt en het mogelijk maakt het feitelijke signalen te isoleren.
Verdere ontwikkeling
Tot nu toe werkt het materiaal bij kamertemperatuur, maar slechts binnen een klein venster. Door het chroomoxide doelgericht te veranderen, willen de wetenschappers het bereik verbeteren. Onderzoekers aan de Universität Basel hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze de magnetische eigenschappen van het chroomoxide op nanoschaal kunnen gebruiken.
Verder willen ze meerdere geheugenelementen op één chip integreren. Tot nu toe werd slechts een enkel element gerealiseerd, waarmee slechts één bit kan worden opgeslagen. De volgende stap – en een belangrijke naar mogelijke toepassing – is een array uit meerdere elementen op te bouwen. In principe kunnen de geheugenchips met de gangbare technieken door computerbouwers worden gemaakt. De industrie heeft daarom grote interesse in deze componenten (foto: Tobias Kosub/HZDR).