Projektanslag

Magnetiskt spinn kan ge tusen gånger snabbare datorer

Nu vill svenska forskare bryta ny mark och utnyttja dynamiken i magnetiska material för att kunna lagra digital information snabbare och energisnålare. Målet är elektronik som arbetar tusen gånger snabbare än idag. Det kan i framtiden ge oss datorer som startar blixtsnabbt och telefoner som inte ständigt laddar ur.

Grunden till forskningsprojektet är den djupare kunskap om magnetiska material som har byggts upp under några år på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. Olle Eriksson är professor i teoretisk magnetism och huvudansvarig för projektet.

– Vi har kommit en bit på väg eftersom vi har arbetat med spännande frågor på teoretisk nivå. Nu kan vi tack vare anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse även bygga upp en experimentell miljö runt magnetiseringsdynamik där vi hoppas kunna verifiera våra teorier, säger han.

Det handlar om nyfikenhetsdriven forskning där ett viktigt syfte är att öka förståelsen av magnetiska material och placera Sverige på världskartan inom forskningsfältet. Materialen kan ses som en samling av atomstora magneter som linjerar sig i bestämda riktningar. Men vad som händer om atomerna tvingas ur jämvikt är i stort sett okänt.

– Vårt teoretiska arbete förutspår flera intressanta fenomen, särskilt på magneter i nanoområdet, och därför vill vi gärna se hur vår kunskap kan omsättas i tekniska tillämpningar, säger Olle Eriksson.

Nya magnetiska minnen

Redan idag lagras 80 procent av all digital information på magnetiska material, och det ständiga suget efter att kunna lagra mer information på mindre enheter, så snabbt som möjligt, gör att det är av betydelse att kunna identifiera nya användbara magnetiska material. Med nanoteknik kan man också på sikt lära sig att skräddarsy material med helt nya egenskaper.

Forskarna vill bland annat utveckla magnetiska minnen som kan revolutionera datorernas prestanda. Det öppnar för en utveckling av nästa generations spinntronik och ett nytt område som har döpts till magnonik. I korthet är målet att mycket snabbt lyckas med att förändra den magnetiska riktningen i magnetiska material.

Så fort vi skriver på datorn pågår en febril aktivitet under skalet. En dator lagrar information i form av ettor och nollor – i realiteten styrs detta av en ström av elektroner som kan slås på och av under ordnade former. För att göra detta utnyttjar man ett magnetiskt tillstånd hos elektronerna som kallas spinn. Detta spinn är en mätbar egenskap som påminner om effekten av en roterande magnet. Rotationen, spinnet, kan ske åt ena eller andra hållet, vilket innebär att den kan användas för att representera ettor och nollor.

Olof Karis använder en poetisk liknelse.

– Spinnen kan man likna vid sjögräs som står på havsbotten och svajar åt det ena eller andra hållet. Det kan böja sig mycket långsamt och mycket fort. Vi vill få det att röra sig ännu fortare genom att skicka en spinnpolariserad ström som består av en enda spinnriktning in i ett material, där spinnvågor kan genereras.

Frågan är vad som händer om man ökar frekvensen på hur sjögräset böjer sig dramatiskt, det vill säga antalet gånger per sekund som en etta blir en nolla.

– Det är där potentialen att lagra information ännu effektivare ligger. Vi ser framför oss elektronik som ska kunna arbeta vid en frekvens som är tusen gånger snabbare än idag. Dit har ingen annan nått än.

På dagens bärbara datorer är processorns kapacitet 2–3 gigahertz, det vill säga ett par miljarder svängningar per sekund. Med den nya nivån skulle datorerna i stället få en kapacitet i terahertz med en förmåga att kunna slå om från ett till noll tusen miljarder gånger i sekunden.

Bryter mot fysikens kända lagar

I teoretiska modeller och datorsimuleringar har forskarna redan studerat effekterna på material i den här frekvensen, och till och med ännu snabbare. Resultaten har väckt uppmärksamhet världen över och inger optimism inför de experimentella studierna.

– Men det är en lång väg dit. För att nå fram måste vi designa nya material, göra avancerade mätningar och lära oss förstå nya saker som kanske bryter mot fysikens kända lagar, säger Olle Eriksson.

För Björgvin Hjörvarsson ligger spänningen i att forskningen kan komma att föra med sig helt oväntade fynd. På nanonivån så förändras materialens egenskaper till det oförutsägbara.

– Ett glas vatten fryser vid 0 grader. Det blir is. Men när fryser ett atomlager av vatten? Det vet vi inte. Dynamiken i material beror väldigt mycket på utsträckningen, och den är som designparameter det unika med nanomagnetismen. För att kunna mäta det så måste vi lära oss att titta på relevanta tidsskalor, från femtosekunder upp till några hundra nanosekunder. Det kommer att ge förståelse och då kan vi också börja tänka på tillämpningar.

När elektriciteten var ny på 1800-talet så kunde man inte ana hur den formligen skulle revolutionera det moderna samhället. Kanske blir det på samma sätt med magnoniken, säger forskarna i projektet.

– Har man inte råd att göra misstag så blir det heller inga framsteg. Anslaget från Stiftelsen ger oss frihet att utveckla ett nytt fält med en väldigt stor potential, säger Björgvin Hjörvarsson.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström