Harde schijven moeten steeds maar sneller worden en meer terabytes bevatten. Daarvoor zijn materialen nodig waarop je de bits nog sneller kunt schrijven. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) onder leiding van prof. dr. Bert Koopmans laten zien waarom de magnetisatie van bepaalde materialen duizend keer sneller met laserlicht te schakelen is dan van andere. De bevindingen verschijnen maandag 14 december in de online editie van het gerenommeerde Nature Materials.

De Eindhovense onderzoekers onder leiding van Koopmans (TU/e-faculteit Technische Natuurkunde) publiceren hun bevindingen samen met collega’s van de Technische Universität Kaiserslautern en het Max-Planck-Institut in Stuttgart. Zij geven als eersten een verklaring voor het feit dat in sommige magnetische materialen de domeintjes tot duizend maal sneller met laserlicht te schakelen zijn (ofwel: de ‘1’-en en ‘0’-en geschreven of gewist kunnen worden) dan in andere materialen. Over dit onderwerp waren natuurkundigen het al zo’n twintig jaar oneens.

Bitjes schrijven met laserlichtflitsjes
De nieuwe inzichten zijn van groot belang voor het kleiner en sneller maken van harde schijven en andere, nieuwe vormen van gegevensopslag. De grote producenten van harde schijven (zoals Hitachi, Seagate en Western Digital) zijn voortdurend op zoek naar nieuwe manieren hiervoor en het schrijven van bitjes met behulp van laserlichtflitsjes is een serieuze kandidaat. De laser warmt een domeintje op, waarna een magnetische schrijfkop er een ‘1’ of ‘0’ van maakt.

De wedloop richt zich altijd op steeds meer bitjes per vierkante centimeter. Maar hoe kleiner je een domeintje - een magnetisch gebiedje waarin het magneetveld duidelijk één kant op wijst - wordt, hoe gevoeliger het is voor de temperatuurstrilling van de atomen in het materiaal. En hoe groter de kans dat een ‘1’ omflipt tot een ‘0’ en je dus fouten krijgt op je harddisk.
 
Om de domeinen toch kleiner te kunnen maken, moet je materialen gebruiken die magnetisch sterker zijn. Dit heeft weer als nadeel dat ook de schrijfkop de domeinen hierin moeilijker kan schakelen. En daar schiet de laser te hulp. Met een korte flits warmt die het materiaal een beetje op, waardoor het magneetveld gemakkelijker te veranderen is. Na het afkoelen is het bitje vastgelegd. Dit principe is enigszins te vergelijken met het opwarmen van plastic. Door dat te verwarmen, kun je het in elke vorm krijgen die je wil. Na afkoelen is het weer hard en heeft het een nieuwe vaste vorm.

Ultieme snelheid
De ultieme snelheid waarmee je magnetische informatie kan verversen, wordt beperkt door de fundamentele natuurwet: “De hoeveelheid draaiing (‘spin’) van een systeem blijft behouden.” Het nieuwe onderzoek van de TU/e laat zien hoe magnetische informatie - die in feite te beschouwen is als een snel draaiende beweging van de elektronen - kan worden overgedragen aan atomaire trillingen in hetzelfde materiaal. Daarmee worden twee dingen verklaard. Ten eerste het enorme verschil in schakelsnelheid tussen twee verschillende materialen. Ten tweede hoe je sneller of langzamer kunt schakelen door de intensiteit van het laserlicht te variëren.

Puzzelstukjes
De kiem voor de publicatie in Nature Materials werd ruim een jaar geleden gelegd. Koopmans was op een congres in Duitsland, toen aan het einde van de dag “de puzzelstukjes op zijn plaats begonnen te vallen.” In de trein op weg terug naar Nederland voerde Koopmans op zijn laptop een nieuwe simulatie uit op basis van de verse ideeën. “Al na een kilometer of tien kwamen daar de goede getallen uit, die bij gedane experimenten pasten”, vertelt hij. “Bij Keulen was ik eruit.” Eenmaal thuis zocht de fysicus contact met de genoemde Duitse groepen, en deze samenwerking leidde tot de publicatie.

De volgende stap zal zijn ook complexere materialen met de theorie te beschrijven. Daarnaast is de nieuwe kennis wellicht van belang bij het switchen van bits zonder magneetveld; met niets anders dan (circulair gepolariseerd) laserlicht.

Artikel
DOI: 10.1038/NMAT2593, ‘Explaining the paradoxical diversity of ultrafast laser-induced demagnetization’, by B. Koopmans, G. Malinowski, F. Dalla Longa, D. Steiauf, M. Fähnle, T. Roth, M. Cinchetti en M. Aeschlimann.

Noot voor de pers

Meer informatie bij prof. dr. Bert Koopmans, 040 - 247 4855, B.Koopmans@remove-this.tue.nl. Algemene vragen over de TU/e: voorlichter Jim Heirbaut, 040 - 247 2110, J.Heirbaut@remove-this.tue.nl of voorlichter Cees van Keulen, 040 - 247 4061, C.T.F.v.Keulen@remove-this.tue.nl.

'terug'