Laser zeichnet magnetische Landschaften nach Maß

Lauren Riddiford, Aleš Hrabec en Jeffrey Brock (van links naar rechts) in de cleanroom van Park Innovaare – direct naast het PSI. Hier worden de nieuwe magnetische structuren gemaakt en met lasertechnologie gericht aangepast. © Paul Scherrer Instituut PSI / Mahir Dzambegovic

Met laserlicht naar sneeuwvlok: Deze magnetische structuur werd bij PSI gemaakt met een industriële laser – niet voor decoratie, maar als demonstratie van nauwkeurige materiaalaanpassing met potentieel voor gegevensopslag, AI en fotonica. © Paul Scherrer Instituut PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock / From laser light to snowflake: This magnetic structure was created at PSI using an industrial laser – not for decoration, but as a demonstration of precise material modification with potential for data storage, AI, and photonics. © Paul Scherrer Institute PSI / Aleš Hrabec, Lauren Riddiford, Jeffrey Brock

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI zijn er in samenwerking met het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, voor het eerst in geslaagd om met bestaande lasertechnologie de magnetische eigenschappen van materialen in twee dimensies continu te variëren. De eenvoudige en snelle methode moet een breed scala aan toepassingen mogelijk maken, waaronder nieuwe technieken voor gegevensopslag en -verwerking.

Soms is het mogelijk om verbazingwekkende resultaten te behalen door traditionele gereedschappen op een nieuwe manier te gebruiken. Zo ging het ook bij onderzoekers die de hightech-laserapparatuur in de cleanroom van PSI voor iets anders gebruikten dan waarvoor deze oorspronkelijk was bedoeld. De laser was namelijk oorspronkelijk aangeschaft voor fotolithografie – een proces om kleine 2D-structuren te produceren. Normaal gesproken bestrijkt de laser een fotolak met verschillende lichtintensiteiten, waardoor verschillende belichtingsniveaus ontstaan, ook wel grijstinten genoemd. De grijstinten-lithografie vormt een driedimensionaal reliëf dat vervolgens op het gewenste materiaal kan worden overgebracht. Een belangrijk toepassingsgebied van deze techniek is de moderne micro-optica, bijvoorbeeld voor het fabriceren van lenzen voor smartphones.

«We gebruiken dit gereedschap voor iets anders dan het oorspronkelijke doel», legt Aleš Hrabec uit: «We genereren ermee twee-dimensionale, continue veranderingen in de magnetische eigenschappen van materialen, die voor een breed scala aan toepassingen belangrijk zijn.» Hrabec is wetenschapper in de onderzoeksgroep Mesoscopische Systemen, geleid door Laura Heyderman en onderdeel van PSI en ETH Zürich. Onder mesoscopisch verstaan de onderzoekers systemen op een lengte-schaal van enkele micrometers. Ter vergelijking: een menselijk haar heeft een diameter van ongeveer 100 micrometer, dus is het vele malen groter.

Gek idee dat werkt

Wil men de eigenschappen van een magnetisch materiaal veranderen, kan men het bijvoorbeeld in een oven verhitten. Maar daarmee verandert de hele proef. Op zoek naar een methode voor lokaal beperkte veranderingen kwamen de PSI-onderzoekers op het idee om een dunne film van een magnetisch materiaal zonder fotolak in het bestaande lithografie-apparaat te plaatsen. «Dat was een gek idee, daarom was ik erg verrast dat het meteen werkte», vertelt Lauren Riddiford, postdoc in de groep Mesoscopische Systemen: «Toen we de magnetische contrasten onder een speciaal microscoop bekeken, konden we meteen de continue veranderingen in de magnetische eigenschappen zien.»

De laser fungeert in principe als een oven, maar zijn werking verandert de magnetische eigenschappen precies op de juiste plek. Met de laser rastert men het oppervlak van het materiaal af en moduleert daarbij de lichtintensiteit naar wens. Zo worden zeer kleine gebieden, slechts 150 nanometer groot, verhit. De methode heet «Direct-Write Laser Annealing», kortweg DWLA, wat vertaald kan worden als direct-schrijfend lasergloeien. Door gericht te verhitten kan een materiaal lokaal veranderen – het oxideert, kristalliseert of men kan twee metalen met elkaar legeren. Hierdoor kan men de sterkte of de richtingsafhankelijke magnetisatie aanpassen, evenals de interactie aan de grenslaag tussen twee materialen.

De lokale, graduele aanpak kan op unieke wijze zogenaamde gradiënten van de magnetische eigenschappen genereren, die naar wens in allerlei vormen kunnen voorkomen. Tot nu toe kon men alleen zijwaartse, eendimensionale gradiënten van dergelijke materiaaleigenschappen maken. Nu zijn cirkels, spiralen of nog complexere structuren mogelijk, zoals Riddiford demonstreert met een video die de vorming van een magnetische structuur in de vorm van een sneeuwvlok laat zien. «Als we een veld op het bewerkte monster aanleggen, verandert eerst de magnetisatie in het centrum van richting, van omhoog naar omlaag. Als het veld sterker wordt, verspreidt deze omschakeling zich radiaal», legt de onderzoekster uit. In de gebieden rondom de sneeuwvlok werd het materiaal met de laser voldoende sterk verhit om te zorgen dat het niet meer magnetisch is.

Snel, efficiënt en veiliger

Het doel van de onderzoekers is echter niet alleen mooie beelden, maar concrete toepassingen, bijvoorbeeld in de datatechnologie. Kleine magneten worden al lange tijd gebruikt om gegevens op computerharde schijven te beveiligen. Afhankelijk van de richting waarin de pool van een magneet wijst, komt dat overeen met een 1 of een 0, dus de waarde van een bit. Boven de roterende harde schijf bevindt zich een spoel die de informatie leest en schrijft met behulp van een magnetisch veld. «Met onze techniek willen we ontdekken welke magnetische materialen en eigenschappen het beste geschikt zijn voor het maken van opslagmedia zonder bewegende onderdelen en zonder dat magnetische velden nodig zijn», zegt Jeffrey Brock, eveneens postdoc in de groep Mesoscopische Systemen.

Door de continue veranderingen in de magnetische eigenschappen in het opslagmedium is geen magnetisch veld nodig om de magnetisatie van de bits te veranderen. Men kan een elektrische stroom gebruiken om de informatie te schrijven en te lezen. Dergelijke opslagmiddelen bestaan al. «Wij denken echter dat onze aanpak voor de lokale verandering van materiaaleigenschappen veel eenvoudiger en sneller is dan de momenteel gebruikte technologieën voor het maken van dergelijke patronen», zegt Brock. Geheugen dat met stroom wordt geschakeld, is sneller en er kunnen meer gegevens op een kleinere ruimte worden opgeslagen. De onderzoekers willen dit ook toepassen op een speciale klasse van materialen, de zogenaamde synthetische antiferromagneten. Daarmee zou de opslag van gegevens duurzamer en veiliger worden, omdat dit materiaal immuun is voor externe magnetische velden.

Rekenen en opslaan op dezelfde chip

Een andere mogelijke toepassing is het zogenaamde in-memory computing – de verwerking en opslag van gegevens vinden plaats op één en dezelfde chip. In huidige elektronische apparaten worden gegevens voortdurend tussen de snelle processor en de veel tragere geheugeneenheid heen en weer gestuurd, wat veel tijd en energie kost. Het gebruik van één enkele chip zou de gegevensaccess extreem versnellen.

Al vier jaar geleden slaagde een onderzoekscoalitie van PSI en ETH Zürich er voor het eerst in om logische bewerkingen uit te voeren in een magnetisch materiaal waarin de gegevens tegelijkertijd kunnen worden opgeslagen – een uitvinding die ook gepatenteerd is. Maar het tot nu toe gebruikte materiaal is niet geschikt voor de gangbare fabricageprocessen in de chipindustrie. «We hopen dat we met lasertechnologie een magnetisch materiaal kunnen maken dat compatibel is met deze standaardprocessen», zegt Hrabec.

Een ander nieuw onderzoeksgebied is het zogenaamde neuromorfe rekenen – een vorm van gegevensverwerking geïnspireerd door het brein en het netwerk van zenuwcellen, oftewel neuronen. Hierbij zouden bijvoorbeeld kleine magneten in verschillende configuraties met elkaar kunnen interageren zoals neuronen in hun netwerk. «Het brein bestaat ook niet uit een eenvoudig materiaal», zegt Hrabec: «Daarom kan voor dit doel niet zomaar een dunne laag van een enkel magnetisch materiaal zoals kobalt worden gebruikt, maar is iets complexers nodig.» Een ideale toepassing voor de nieuwe lasertechnologie, waarmee willekeurige magnetische landschappen kunnen worden gecreëerd.

Hrabec is ervan overtuigd dat het werk van het onderzoeksteam nog vele andere toepassingen zal ontsluiten, bijvoorbeeld op het gebied van sensoriek of fotonica, waarbij licht wordt gebruikt voor informatieoverdracht. Door laserverhitting en kristallisatie in het materiaal kunnen de brekingsindex en daarmee de optische eigenschappen van een materiaal worden aangepast. Het grote voordeel van de lasergloed: de gebruikte apparatuur is een commercieel apparaat dat wereldwijd in veel laboratoria al aanwezig is. Het is daarvoor niet nodig om een vacuüm of andere speciale omstandigheden te creëren. Daardoor kan men in enkele seconden bereiken wat in een oven uren duurt. «De grote kracht van deze techniek is dat ze goedkoop, snel en goed beschikbaar is», vat Hrabec samen.