De harde schijf spint als een tierelier

AMSTERDAM - De manier waarop klassieke harde schijven gegevens bewaren, is al decennia dezelfde: een magnetische schrijfkop laat de noord- en de zuidpool van de minieme magnetische gebieden op de schijf omdraaien, waarbij noord overeenkomt met de één en zuid met de nul. Als de data opgehaald moeten worden, detecteert een leeskop deze veranderingen, die vervolgens weer naar het digitale domein van de nullen en enen worden vertaald.

Hoe snel gegevens worden weggeschreven, heeft onder meer te maken met de sterkte van het magneetveld dat de schrijfkop kan opwekken. Hoe sterker dit veld, hoe sneller het ompolen verloopt en hoe meer data per seconde kunnen worden opgeslagen. 'De grens daarvan is bereikt', zegt hoogleraar technische natuurkunde Bert Koopmans. Sneller kan nauwelijks.

Daarom wordt sinds een jaar of tien gewerkt aan een nieuwe technologie, die gebaseerd is op zogenoemde spinstromen. Door een spanning aan te leggen tussen twee op elkaar gestapelde magnetische laagjes met elk een eigen magnetische oriëntatie, gaat er een stroom van elektronen lopen. Elk van deze elektronen heeft een 'spin' - draait een bepaalde richting op - en kan daarmee magnetische informatie overdragen tussen de twee lagen. Elektronen uit de bovenste laag veranderen zo de magnetische richting van de onderste laag, waardoor de polariteit ervan verandert. Nul wordt één - en een bit is geschreven.

undefined

Laserlicht

Deze techniek op basis van spinstromen is energie-efficiënter en in potentie vele malen sneller dan de ouderwetse schrijfmethode met een magnetisch veld. Maar het kan nog sneller, vermoedden Koopmans en mede-TU-onderzoeker Sjors Schellekens. In plaats een elektrisch stroompje gebruikten de onderzoekers laserlicht om elektronen in de bovenste laag aan te slaan. De energie van een lichtpuls van 100 femtoseconde (een femtoseconde is een biljardste seconde, 0,000000000000001 seconde) wordt geabsorbeerd door de bovenste laag. 'De elektronen krijgen hierdoor een ferme schop, waardoor ze zeer snel gaan bewegen', zegt Koopmans. 'Ze kunnen geen kant op, alleen naar de onderste laag.' Daar dragen ze hun magnetische moment over.

Op dezelfde wijze worden de elektronen uit de onderste laag naar boven gedwongen, waar ook zij hun magnetische oriëntatie overdragen. Het effect is als het roeren in een vinaigrette: beide lagen mengen, waardoor de totale magnetische oriëntatie verandert, zonder gebruik te maken van een magnetisch veld.

Dit kon al. Nieuw is dat het met een spinstroom en een laser gebeurt. 'Er bestond lange tijd twijfel of lichtpulsen de magnetische oriëntatie binnen femtoseconden kunnen veranderen', zegt Schellekens. 'Wij hebben nu aangetoond dat het kan.' De ontdekking leverde de onderzoekers vorige week een publicatie op in Nature Communications.

De totale overdracht is nu nog zeer gering, zeggen de onderzoekers. 'We hebben van een 1 bij wijze van spreken een 0,95 gemaakt. We hebben het aan het wiebelen gebracht', aldus Koopmans. De volgende stap, zegt Schellekens, is een 'echte schrijfactie'. Dat moet binnen een paar jaar te realiseren zijn, denkt hij. Met de juiste materialen moet het lukken - bijvoorbeeld door de bovenste laag iets dikker te maken dan de onderste. Het vervaardigen van dit soort nanolaagjes is overigens een specialiteit van de vakgroep uit Eindhoven.

De onderzoekers zien niet alleen toepassingen in geheugenopslag, maar ook voor computerchips. Ook daar is de grens bereikt in de miniaturisering, en daarmee de snelheid. 'Bij informatieoverdracht is optische verwerking onverslaanbaar', zegt Koopmans. 'Niets gaat sneller dan het licht; daarom liggen er overal rond de aarde glasvezelkabels.'

Het principe is uiteindelijk ook op veel kleinere schaal toe te passen, in optische computerchips dus. 'Voor opslag van data is licht alleen niet handig. Daarom willen we licht gebruiken om zonder tussenkomst van elektronica optische informatie vast te leggen in een geheugenchip.' Daarmee is nu een eerste stap gezet.

undefined