Voor optische dataopslag zijn geen dure magnetische materialen nodig. Een synthetisch alternatief, bedacht door de Nijmeegse hoogleraar Theo Rasing, werkt net zo goed. Met zijn idee brengt Rasing een zuinige methode voor dataopslag met licht een stap dichterbij toepassing.
Zes jaar geleden ontwikkelde de groep van Theo Rasing, hoogleraar Spectroscopie van Vaste Stoffen en Grensvlakken bij de Radboud Universiteit, een nieuwe methode om magnetische materialen met licht te schakelen. In het lab werkte het fantastisch, maar de veelbelovende methode had een belangrijk nadeel.
Rasing: “Het optisch schakelen lukte alleen in speciale magneten, zogenoemde ferrimagneten. Die bevatten dure zeldzame aardmetalen, en waren trouwens ook niet geschikt om magnetische data op de nanoschaal op te slaan. Nu hebben we voor het eerst aangetoond dat je ook synthetische ferrimagneten optisch kunt schakelen.”
Voor de synthetische ferrimagneten zijn geen zeldzame aardmetalen nodig. Dat betekent dat ze minder duur zijn en beter voor het milieu. Bovendien zijn ze beter geschikt voor de toepassing in computers. Het zijn magnetisch hardere materialen waarin veel kleinere bits te schrijven zijn. Rasing: “Ik zie dit als het begin van een fundamenteel nieuwe manier van data opslaan – en wellicht ook van datamanipulatie.”
Enen en nullen
Als je een bestand opslaat op je laptop of pc, brengt de computer op de harde schijf een code van enen en nullen aan. In werkelijkheid zijn dat kleine ferromagnetische domeinen, elk bestaand uit een verzameling magneetpooltjes (spins) in een magnetiseerbare laag. De spins kunnen in twee richtingen wijzen: de toestand ‘één’ of ‘nul’. Het omzetten van deze spins met een magneetveld gaat relatief langzaam en kost veel energie. Schakelen met licht is – in principe – sneller en zuiniger. Theo Rasing ontwikkelde daarvoor een methode die andere materialen vereist: ferrimagneten.
Ferrimagneten
Ferrimagneten onderscheiden zich van ‘gewone’ magneten (op de koelkastdeur bijvoorbeeld) in de grootte en richting van de magnetische spins. In de magnetische domeinen van gewone magneten (ferromagneten) zijn alle spins gelijk en staan ze dezelfde kant op. In de domeinen van ferrimagneten staan even veel spins omhoog als omlaag. Maar omdat de grootte van de spins verschillend is, is er toch sprake van een netto magnetisatie.
Rasing heeft nu een truc gevonden om een materiaal te construeren dat ferrimagnetisch gedrag vertoont, hoewel het uit ‘gewone’ ferromagneten bestaat. Hij stelt voor de ferrimagneet na te bootsen in een stapeling van nanodunne laagjes ijzer, van elkaar gescheiden door een tussenlaag.
Rasing: “Het ijzer is ferromagnetisch: alle spins zijn gelijk en staan dezelfde kant op. Als je dan twee laagjes ijzer koppelt via een niet magnetische koppelingslaag van de juiste dikte, dan kan er een situatie ontstaan waarbij de twee ijzerlaagjes een tegengestelde magnetisatierichting krijgen. En als de twee ijzerlaagjes een ongelijke dikte hebben, dan kun je – net zoals in een ferrimagneet – een netto magnetisch moment creëren. Dan heb je dus een synthetische ferrimagneet.”
Links: Ferrimagneet Rechts: Synthetische ferrimagneet. In de ijzerlaagjes staan alle spins dezelfde kant op en ze zijn ook even groot. Door laagjes met verschillende magnetisatierichtingen en verschillende diktes te combineren, ontstaat er netto toch een magnetisatie.
Hot topic
Rasings synthetische ferrimagneten blijken inderdaad met licht schakelbaar. “In hetzelfde tweestapsproces dat we eerder voor de normale ferrimagneten hadden gevonden”, aldus de Nijmeegse hoogleraar. Meteen nadat hij zijn concept voor de synthetische ferrimagneet had bedacht, zocht hij contact met een groep in York (Engeland) die het ompolingsproces kon modelleren. “In dat model bleek het inderdaad te werken. We hebben het daarom gezamenlijk gepatenteerd.”
Rasings idee blijkt inmiddels een hot topic. Groepen in San Diego, Frankrijk en Duitsland zijn bezig om de synthetische ferrimagneten daadwerkelijk te maken en te testen. De eerste publicaties zijn inmiddels al verschenen. Rasing: “Ik verwacht dat de combinatie van theorie, modellen en experimenten de komende jaren veel vruchten gaat afwerpen.”
_Het hier beschreven onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM