Ultraschnelles optisch-magnetisches Speichergerät

Magnetische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) bietet ein erhebliches Potenzial für universelle Speicherarchitekturen der nächsten Generation. Modernste MRAMs sind jedoch immer noch grundsätzlich durch eine Geschwindigkeitsbegrenzung von weniger als einer Nanosekunde eingeschränkt, was eine lang anhaltende wissenschaftliche Herausforderung in der Spintronik-Forschung und -Entwicklung geblieben ist. In diesem Doppelpromotionsprojekt demonstrierte Luding Wang experimentell ein voll funktionsfähiges Pikosekunden-Opto-MRAM-Bausteingerät, indem er ultraschnelle Photonik mit Spintronik kombinierte.

Engpässe bei der MRAM-Entwicklung

Haben Sie schon einmal erlebt, dass Ihr Computer unerwartet heruntergefahren wurde und dabei Dokumente verloren gingen, an denen Sie stundenlang gearbeitet haben? Die Technologie des magnetischen Direktzugriffsspeichers (MRAM) konzentriert sich auf die Manipulation des Elektronenspins, um mit einem solchen technischen Fehler fertig zu werden. In MRAM-Bits werden Daten geschrieben, indem die Richtung der Nanomagnete umgeschaltet wird. So ermöglicht MRAM eine dauerhafte Datenspeicherung im stromlosen Zustand, ein schnelleres Booten der Rechner und einen geringeren Stromverbrauch der Geräte.

In den letzten 25 Jahren wurden zwei große Generationen von MRAMs erfunden und auf den Markt gebracht. Die frühesten MRAMs verwenden ein magnetisches Feld, um die Bits zu schreiben, wohingegen MRAMs nach dem Stand der Technik ein Spinstrom-basiertes Verfahren implementieren. Der Datenschreibprozess dieser MRAMs wurde jedoch durch eine lang anhaltende Herausforderung behindert: Die Geschwindigkeit ist auf den Nanosekundenbereich begrenzt und verbraucht viel Strom.

Ultraschnelle Photonik-Integration

In dieser Arbeit integriert Luding Wang von der Forschungsgruppe Physik der Nanostrukturen am Institut für Angewandte Physik eine rasante Entwicklung auf dem Gebiet der ultraschnellen Photonik, den Femtosekunden (fs)-Laser: die schnellsten Stimuli, die der Menschheit kommerziell zur Verfügung stehen, um die Nanosekunden-Geschwindigkeitsbegrenzung zu durchbrechen und dabei tausendmal energieeffizienter machen.

In diesem Doppelpromotionsprojekt haben Forscher der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) unter der Leitung von Prof. DR. Bert Koopmans und das Fert Beijing Institute der Beihang University unter der Leitung von Prof. DR. Weisheng Zhao, haben den ersten Proof of Concept dieses spintronisch-photonischen Speichers mit einer interdisziplinären Denkweise gezeigt.

Hybrider optischer MRAM-Speicher

Inspiriert von den 2017 von der TU/e ​​entdeckten Femtosekundenlaser-induzierten rein optischen Schaltschemata (AOS) in synthetischen ferrimagnetischen Mehrfachschichten hat sich die Integration mit MRAM-Bit als wettbewerbsfähiger Weg zum MRAM-Design der nächsten Generation herauskristallisiert. Von seinem Ph.D. Forschung berichtet Wang über das Design und die Charakterisierung eines solchen „hybriden“ Opto-Speichergeräts, das eine Opto-MRAM-Bitzelle geprägt hat. Er zeigt eine Weltrekord-Schreibgeschwindigkeit von 20 Pikosekunden (ps), was 1–2 Größenordnungen über den aktuellen hochmodernen MRAMs liegt, mit einer verbesserten Energieeffizienz (≈ 100 Femtojoule zum Schalten eines 50 × 50 nm2-großes Bit).

Dieser erste Schritt in Richtung der Entwicklung eines „Opto-MRAM“ ist ein sehr vielversprechender Start in Richtung eines einzigartigen nichtflüchtigen photonischen Speichers. Es ermöglicht eine direkte Umwandlung optischer Informationen in magnetische Informationen, ohne energieaufwändige elektronische Umwandlungsschritte dazwischen. Darüber hinaus stellen die experimentellen Ergebnisse einen wichtigen Fortschritt dar, um weitere grundlegende wissenschaftliche Studien anzuregen, die die Bereiche Spintronik und Photonik kombinieren.