Forskere vil bygge sensor, der kan måle tornadoer i nano-størrelse

Et team af forskere på Aarhus Universitet har modtaget 2,8 mio. kr. af Danmarks Frie Forskningsfond, DFF, til at udvikle en optisk sensor, der skal kunne afkode hvirvelretningen for såkaldte skyrmioner: Ufatteligt små stabile hvirvler i magnetiske materialer, som er skabt af elektroners rotation omkring sig selv.

Hvirvelretningen for disse ultrasmå nano-størrelses tornadoer kan nemlig repræsentere binær kode – 0 og 1 afhængig af hvirvlens retning – og skyrmioner er derfor udråbt som lovende kandidat som bits i fremtidens computerteknologi.

”I dag lagrer vi data som binær kode på magnetiske lag i harddiske. Men skyrmioner kræver langt mindre strøm og genererer langt mindre varme i forhold til at skrive og læse ferromagnetiske domæner, som vi gør det i dag, når vores computere lagrer data i 0’er og 1-taller,” siger adjunkt og projektets leder, Pernille Klarskov Pedersen, fra Institut for Elektro- og Computerteknologi på Aarhus Universitet. 

Langt større datatæthed

Trafikken på internettet er tusinddoblet siden år 2000 og står i dag for omkring 10 pct. af hele verdens forbrug af elektricitet. Trafikken er kun stigende, og behovet for nye, energisparende teknologier, der kan læse og skrive data, er derfor meget stort.

Skyrmioner er opkaldt efter den britiske fysiker Tony Hilton Royle Skyrme, som første gang foreslog deres eksistens i 1961. I 1990’erne blev Skyrmes model interessant for elektroniske systemer, men det er først inden for de sidste 10 år, at skyrmioner for alvor er blevet realiseret og har vundet interesse som lagringsteknologi.

Skyrmioner er ned til 1 nm i størrelse og er topologisk stabile – dvs. deres spinretning ændrer sig ikke, når først den er dannet, uanset hvor tæt man pakker information. Det er en kæmpe fordel frem for nutidens magnetiske domæner, som er ustabile, når de pakkes for tæt.

Derudover er skyrmioner langt mindre energikrævende at skrive end nutidens binære kode.

Sammenlagt betyder det, at skyrmionbaserede lagringsenheder kan blive langt mindre end nutidens med væsentligt større datatæthed, samtidig med at de genererer langt mindre varme og kræver langt mindre strøm.

Potentielt banebrydende

Det lyder altså sammen meget godt, men problemet med skyrmioner i dag er, at de er yderst vanskelige at måle og læse. Man kan skrive dem og ændre dem, men endnu ikke måle dem på en konkurrencedygtig måde. Der findes kun enkelte metoder, som er baseret på fysiske prober, og målingerne må oftest foretages under isolerede forhold grundet probernes følsomhed. Det gør det voldsomt dyrt at læse information, og derfor kan skyrmioner endnu ikke anvendes som lagringsmedie.

Det er her, Pernille Klarskov Pedersen og hendes projekt kommer ind i billedet.

”Med baggrund i et nyt studie, som har forudsagt, at skyrmioner kan oscillere med terahertz frekvenser, vil vi udvikle en optisk sensor baseret på netop terahertz lys. En optisk sensor vil tilbyde en lang række fordele bl.a. fleksibilitet, robusthed samt at kunne detektere med lysets hastighed,” siger hun og fortsætter:

”Nu starter vi stille og roligt ud med strukturerede materialer, altså materialer som er udformet til at have skyrmioner, og så må vi se, hvad der kan lade sig gøre. Men hvis det viser sig, at vi faktisk kan måle skyrmioner med terahertz lys, vil det være banebrydende for al computerteknologi fremover. Det er en kæmpe udfordring, vi har stillet for os selv her, men målet er virkelig også det værd.”

Pernille Klarskov Pedersens projekt, OpSky, har modtaget en bevilling på 2,8 mio. kr. fra DFF. Projektet starter officielt den 1. oktober og løber i tre år.