Eine Klasse von nichtflüchtigen Speichergeräten, genannt MRAM, basierend auf quantenmagnetischen Materialien, kann eine tausendfache Leistung über den aktuellen Stand der Technik hinaus bieten. Es wurde zuvor gezeigt, dass die als Antiferromagnete bekannten Materialien stabile Speicherzustände speichern, aber schwer zu lesen waren. Diese neue Studie, jetzt veröffentlicht in Naturebnet einen effizienten Weg zum Lesen der Speicherzustände, mit dem Potenzial, dies auch unglaublich schnell zu tun.
Sie können wahrscheinlich etwa viermal pro Sekunde blinzeln. Man könnte sagen, diese Blinkfrequenz beträgt 4 Hertz (Zyklen pro Sekunde). Stellen Sie sich vor, Sie würden versuchen, 1 Milliarde Mal pro Sekunde oder bei 1 Gigahertz zu blinzeln, es wäre für einen Menschen physikalisch unmöglich. Dies ist jedoch die aktuelle Größenordnung, in der moderne High-End-Digitalgeräte, wie Magnetspeicher, ihren Zustand wechseln, wenn Operationen durchgeführt werden. Und viele Menschen möchten die Grenze tausendmal weiter verschieben, in das Regime von einer Billion Mal pro Sekunde oder Terahertz.
Die Barriere für die Realisierung schnellerer Speichervorrichtungen können die verwendeten Materialien sein. Aktuelle Hochgeschwindigkeits-MRAM-Chips, die noch nicht so verbreitet sind, dass sie in Ihrem Heimcomputer auftauchen, verwenden typische magnetische oder ferromagnetische Materialien. Diese werden mit einer Technik namens Tunnel-Magnetowiderstand gelesen. Dazu müssen die magnetischen Bestandteile des ferromagnetischen Materials parallel angeordnet werden. Diese Anordnung erzeugt jedoch ein starkes Magnetfeld, das die Geschwindigkeit begrenzt, mit der der Speicher gelesen oder beschrieben werden kann.
„Wir haben einen experimentellen Durchbruch erzielt, der diese Einschränkung überwindet, und zwar dank einer anderen Art von Material, Antiferromagneten“, sagte Professor Satoru Nakatsuji vom Fachbereich Physik der Universität Tokio.
„Antiferromagnete unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von typischen Magneten, aber insbesondere können wir sie auf andere Weise als parallele Linien anordnen. Das bedeutet, dass wir das Magnetfeld negieren können, das sich aus parallelen Anordnungen ergeben würde. Es wird angenommen, dass die Magnetisierung von Ferromagneten notwendig ist für Tunnelmagnetowiderstand, um aus dem Speicher zu lesen. Erstaunlicherweise haben wir jedoch festgestellt, dass dies auch für eine spezielle Klasse von Antiferromagneten ohne Magnetisierung möglich ist und hoffentlich mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeiten kann.
Nakatsuji und sein Team glauben, dass Schaltgeschwindigkeiten im Terahertz-Bereich erreichbar sind, und zwar auch bei Raumtemperatur, während frühere Versuche viel kältere Temperaturen erforderten und nicht so vielversprechende Ergebnisse lieferten. Um seine Idee zu verbessern, muss das Team jedoch seine Geräte verfeinern, und die Verbesserung der Art und Weise, wie es sie herstellt, ist der Schlüssel.
„Obwohl die atomaren Bestandteile unserer Materialien ziemlich vertraut sind – Mangan, Magnesium, Zinn, Sauerstoff und so weiter – ist die Art und Weise, wie wir sie kombinieren, um eine brauchbare Speicherkomponente zu bilden, neu und ungewohnt“, sagte Forscher Xianzhe Chen.
„Wir züchten Kristalle im Vakuum in unglaublich feinen Schichten, indem wir zwei Prozesse namens Molekularstrahlepitaxie und Magnetron-Sputtern verwenden. Je höher das Vakuum, desto reiner die Proben, die wir züchten können. Es ist ein äußerst herausforderndes Verfahren, und wenn wir es verbessern, werden wir es schaffen unser Leben einfacher und produzieren auch effektivere Geräte.“
Diese antiferromagnetischen Speichergeräte nutzen ein Quantenphänomen, das als Verschränkung oder Fernwirkung bekannt ist. Trotzdem steht diese Forschung nicht in direktem Zusammenhang mit dem immer bekannter werdenden Gebiet des Quantencomputings. Forscher schlagen jedoch vor, dass Entwicklungen wie diese nützlich oder sogar unerlässlich sein könnten, um eine Brücke zwischen dem aktuellen Paradigma der elektronischen Datenverarbeitung und dem aufstrebenden Gebiet der Quantencomputer zu schlagen.
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Xianzhe Chen et al, Oktupol-getriebener Magnetowiderstand in einem antiferromagnetischen Tunnelübergang, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05463-w