- Onderzoek
- 06/02/2013
Een spintronisch flatgebouw
Nooit meer je computer opstarten. Snelle geheugens met een gigantische capaciteit, energiezuinig en betrouwbaar. Met spintronica lijkt het allemaal mogelijk. ‘Spintronicus’ dr.ir. Reinoud Lavrijsen verhuisde van de TU/e naar Cambridge, publiceerde daar in Nature over een driedimensionale chip (een ‘spintronisch flatgebouw’) en is nu met een Veni-beurs terug in Eindhoven.
In het werkgeheugen van je computer wordt informatie tijdelijk vastgelegd met elektrische lading. Als de stroom uitvalt, heb je pech en ben je deze niet-opgeslagen informatie kwijt. Dit elektrische werkgeheugen is ook de reden dat je een computer moet opstarten voordat je aan de slag kunt: tijdens het opstarten worden gegevens van de harde schijf in het werkgeheugen geladen.
Met spintronische chips in plaats van de huidige elektrische chips is het wachten op een opstartende computer verleden tijd, legt dr.ir. Reinoud Lavrijsen uit. “Met spintronica maak je gebruik van de zogeheten spin en de bijbehorende magnetische eigenschappen van elektronen. Je kunt hiermee digitale informatie vastleggen in extreem dunne laagjes magnetisch materiaal. Dat heeft als voordeel dat deze informatie ook behouden blijft als je de computer uitzet. Informatie blijft zelfs veel langer bewaard dan in USB-sticks gebaseerd op Flash; uit deze permanente elektrische geheugens lekt langzaam lading weg, waardoor je de bestanden na verloop van tijd niet meer kunt lezen.”
Daarbij is er nog een groot voordeel van spintronica: je kunt de magnetische bits veel kleiner maken dan ooit haalbaar lijkt met elektrische componenten. En dat maakt weer snellere computers mogelijk.
Spintronica beleeft inmiddels de overgang van de experimentele fase naar toepassingen in echte computers. MRAM (magneto-resistive random access memory), zoals spintronisch geheugen wordt genoemd, lijkt de toekomst te hebben. Maar niet alleen het opslaan van data is van belang in een computer, ook het bewerken van de informatie is uiteraard essentieel. En daarvoor heb je een volwaardige computerchip nodig.
De afgelopen twee jaar, na zijn promotie bij de FNA-groep (Fysica van Nanostructuren) van de TU/e, heeft Lavrijsen in Cambridge belangrijke vooruitgang geboekt met een concept voor een chip die volledig is gebaseerd op spintronica en waar dus geen elektrische transistor meer aan te pas komt. Zijn Britse avontuur heeft afgelopen week geleid tot een publicatie in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Lavrijsen, die sinds vorige maand weer terug is op zijn oude stek bij FNA -hij haalde een Veni-beurs binnen waarmee hij zichzelf en zijn onderzoek aan de TU/e de komende drie jaar kan financieren-, vertelt dat hij op een conferentie in contact kwam met hoogleraar Russell Cowburn van het befaamde Cavendish Laboratory in Cambridge. “Cowburn vertelde dat hij plannen had voor spintronische chips in drie dimensies. Hij wilde de informatie echter opslaan in elektronspins die gericht zijn in het vlak van magnetische laagjes. Ik had in Eindhoven echter geleerd dat je de spins beter loodrecht op dit vlak kunt richten, dan zijn ze namelijk veel stabieler.”
Cowburn was onder de indruk en nodigde Lavrijsen uit om in maart 2011 naar Cambridge te komen. Lavrijsen kreeg in juni van dat jaar een Rubiconsubsidie toegekend waarmee hij anderhalf jaar in Engeland kon blijven werken.
De doorbraak die in het bovengenoemde Nature-artikel wordt beschreven, zit hem in de vorm van de spintronische chip. “De huidige chips bestaan wel uit meerdere lagen, maar alleen in de bovenste laag, zeg maar het penthouse van het flatgebouw, worden ook daadwerkelijk berekeningen uitgevoerd. De onderliggende lagen worden eigenlijk alleen gebruikt als ‘interconnects’, als verbindingslijnen tussen de verschillende delen van de processor. Je kunt veel ruimte en daarmee snelheid winnen als je op elke etage van het flatgebouw informatie kunt opslaan en bewerken. Daarvoor heb je wel als het ware een lift of trappenhuis nodig die de etages met elkaar verbindt. Die verbinding hebben wij nu gemaakt.”
De 3D-chips van Lavrijsen zijn opgebouwd uit ultradunne laagjes, afwisselend van kobalt en ruthenium, telkens met een laagje platina hiertussen. Elk laagje kobalt, slechts twee tot drie atoomlagen dik, vormt een magnetisch gebiedje waarin het magnetisch veld (als gevolg van de elektronspins) omhoog of omlaag kan staan. “De laagjes ruthenium zorgen voor een kwantumverbinding tussen de kobaltgebiedjes. Hierdoor beïnvloeden de spins van naburige laagjes elkaar. In principe zijn de spins om en om naar boven en naar onder gericht. Dat is namelijk de toestand met de laagste energie.”
Met behulp van magnetische velden kun je de spins in een bepaald gebiedje ‘omtrekken’, zodat twee opeenvolgende spins in dezelfde richting komen staan. “Dat is een verstoring van het systeem; die twee gelijkgerichte gebiedjes noemen we samen een soliton”, zegt Lavrijsen. In zo’n soliton is de digitale informatie vastgelegd; dat is in dit systeem als het ware een bit. Als je vervolgens in een van de twee gebiedjes van de soliton de spin omdraait, dan klappen alle spins in de bovenliggende etages automatisch ook een voor een om, als een rij dominosteentjes. In vaktermen heet dat een schuifregister. “Wat we hebben gemaakt kun je vergelijken met bestaande MRAM, maar met deze techniek kun je in plaats van één bit per MRAM-cel vele honderden bits op elkaar stapelen.”
Lavrijsen en zijn collega’s in Cambridge hebben de diktes van de opeenvolgende laagjes zo gevarieerd dat ze de solitonen naar believen tegen elkaar in en van elkaar af kunnen laten bewegen. “Als twee solitonen elkaar tegenkomen, heffen ze elkaar op. Dat geeft ons de mogelijkheid om ook berekeningen uit te voeren.” Dat laatste is nog niet in het Nature-artikel beschreven, maar wordt binnenkort in een ander artikel gepubliceerd.
Ook tijdens zijn promotie aan de TU/e werkte Lavrijsen al aan computergeheugens op basis van spintronica. Destijds richtte hij zich op platte nanodraden waarin de digitale informatie was vastgelegd in de positie van verplaatsbare wanden tussen magnetische domeintjes; ‘racetrack’-geheugen wordt dit genoemd. Vorig weekend nog verscheen op de site van Nature Materials een artikel, met Lavrijsen als co-auteur, over een nieuwe manier om de domeinwanden te verplaatsen. “Dat artikel over het Spin Hall Effect is een rechtstreeks vervolg van een onopgelost vraagstuk uit mijn proefschrift.”
Afgelopen jaar slaagden onderzoekers van de FNA-groep erin racetrack- geheugen op energiezuinige wijze met elektrische velden te manipuleren. Ook voor de 3D-chips is elektrische aansturing uiteindelijk het doel. Volgens Lavrijsen moet dat in principe mogelijk zijn.
“Het idee was ooit om 3D-racetrackgeheugens te maken door een nanodraad in drie dimensies op te vouwen, maar dat blijkt in de praktijk erg moeilijk. Onze 3D-chip lijkt meer potentie te hebben, en heeft als voordeel dat het omklappen van de elektronspins een binair proces is. In een racetrack is er altijd wat variatie in de afstand waarover een domeinwand wordt verplaatst, het is een continu proces, en daardoor introduceer je een onzekerheid die je in een computer eigenlijk niet wilt hebben.”
Nu hij terug is in Eindhoven, wil Lavrijsen een volgend probleem aanpakken: “Je moet erg je best doen om een soliton het schuifregister in te krijgen. Daar hebben we nu nog forse magneetvelden voor nodig. Ik wil kijken of ik daar iets aan kan doen, wellicht door het materiaal aan de rand op een slimme manier aan te passen. Hiervoor ga ik samenwerken met een Nederlandse expert in Finland.”
Schematische weergave van het ‘spintronische flatgebouw’. In de rode gebiedjes staan de elektronspins omhoog gericht, in de blauwe naar beneden. Een binaire ‘1’ wordt gevormd door twee opeenvolgende gebiedjes met dezelfde kleur (een ‘soliton’). Van links naar rechts schuift de data onder invloed van externe magneetvelden een stapje omhoog.
Discussie