Switching Magnetisasi dengan Medan Listrik

Hari ini saya mendapat suatu artikel yang menarik dari jurnal online Physical Review Letter atau http://prl.aps.org dengan judul “Switching magnetism with electric fields”. Tema ini sangat menarik sekali karena umumnya untuk melakukan proses pembalikan arah magnetisasi pada bahan ferromagnetik digunakan medan magnet atau pulsa arus listrik. Ide ini merupakan suatu temuan yang sangat fundamental pada perkembangan piranti magnet untuk alat penyimpan data atau memory device.

Sekarang ini sudah dikembangkan alat penyimpan data yang berbasis bahan ferromagnet  untuk MRAM (Magnetic Random Acces Memory)  yaitu Racetrack memory oleh ilmuwan dari IBM, USA. Racetrack memory diprediksi akan menjadi alat penyimpan data masa depan karena bersifat nonvolatile (dapat bekerja walaupun arus listrik berhenti), mudah diproduksi dan mempunyai kapasitas yang besar. Prinsip dari Racetrack memory menggunakan pulsa arus listrik untuk menggerakan domain-domain yang adalah dalam bahan ferromagnetik seperti Permalloy nanowire. Masalah utama dalam proses tersebut adalah dibutuh densitas arus listrik dibawah nilai kritis. Jika melebihi dari nilai tersebut maka akan menghancurkan domain-doman yang berada dalam bahan ferromagnet. Proses ini dikenal dengan kelebihan panas (termal) dari pulsa arus listrik atau Joule heating. Salah satu cara untuk mengatasi kelebihan panas untuk meningkat performa dari suatu alat mikroelektrik yang berbasis magnet adalah dengan mengontrol medan listrik atau magnetolectric. Material multiferroic BiFeO3 pada substrat BFO menjanjikan sebagai piranti penyimpan yang dikenal sebagai Magnetoelectric Random Acces Memory (MERAM). Kesimpulannya adalah bagaimana mengotrol proses switching pada bahan magnetik dengan medan listrik dan material yang mendukung masih banyak belum terjawab.

Sumber:

http://prl.aps.org

D. Lebeugle, A. Mougin, M. Viret, D. Colson, and L. Ranno, Phys. Rev. Lett. 103, 257601 (2009) – Published December 14, 2009

Gambar diatas adalah kontrol tegangan untuk menbaca “head” pada suatu lintasan hardisk, dimana medan magnet dihasilkan dari medan listrik pada bahan magnetoelectric melalu momen magnet  Δm_ME dan fluk magnet membantu dalam proses penulisan

Marhaban Ya Ramadhan

Selamat menunaikan ibadah Ramadhan 1430 H. Semoga Allah memberikan keberkahan sehingga Ramadhan tahun ini lebih baik dari tahun lalu. Mohon maaf lahir dan bathin.

Dede Djuhana dan keluarga.

Conference Magnetic : 11th Join MMM-Intermag Conference

Konferensi internasional tahunan : MMM -Intermag Conference , 18-20 January, 2010, Washington DC, USA.

Paper dipublikasikan pada Journal Applied Physics and IEEE Trans. Magnetic

Link lengkapnya : http://www.magnetism.org/

Dimana paper LLG original?

Dalam simulasi micromagnetic, persamaan Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) adalah persamaan  yang menjelaskan tentang dinamika spin elektron dalam bahan ferromagnetik akibat pengaruh medan magnet luar. Jika suatu spin elektron (dalam bentuk  momen magnetik ) diberikan medan magnet luar, maka akan terbentuk torka (torque) yang merupakan hasil perkalian vektor cross antara moment magnet dengan medan magnet luar yang berhubungan dengan suatu konstanta gyromagnetic ratio serta phenomena efek damping dari dinamika spin dalam ferromagnetik.  Dalam paper-paper tentang simulasi micromagnetic selalu mencantumkan sebagai referensi yaitu T. L. Gilbert, ”A Lagrangian formulation of the gyromagnetic equation of the magnetization field”, Phys. Rev., vol. 100, p.1243, 1955.”  Tetapi ada yang menarik jika mencari paper tersebut di : http://publish.aps.org/,  maka akan muncul pesan sebagai berikut :

We were unable to resolve the citation information provided:
Phys. Rev. 100 1243
No data available for this citation

Sehingga membuat kita bertanya-tanya  kira-kira di mana paper tersebut?

T.L. Gilbert. Phys. Rev., 100:1243, 1955. [Abstract only; full report, Armor Research Foundation Project No. A059, Supplementary Report, May 1, 1956] (unpublished).

Ini adalah isi abstraknya :

D6. A Lagrangian formulation of the gyromagnetic equation of the magnetization field. T. L. Gilbert, Armour Research Foundation of Illinois Institute of Technology.–The gyromagnetic equation, , for the motion of the magnetization field , in a ferromagnetic material can be derived from a variation principle, as first shown by Doering.¹ Here is the effective internal field, including the magnetic field and contributions from exchange, anisotropy, and magnetoelastic effects. Using the variational principle, the equations of motion can be recast into a Lagrangian form. This makes possible a consistent derivation of the equations of motion of the magnetization field and other fields to which it may be coupled (e.g., the displacement field of the lattice and the electromagnetic field). It also permits the introduction of viscous damping effects in a consistent manner using the Rayleigh dissipation function. It is shown that viscous damping of the magnetization fields leads to an equation of motion which reduces to the Landau-Lifshitz equation only when the damping is small. It is also shown that this Lagrangian formalism permits the introduction f damping due to disaccomodation in a consistent and very general way.

¹ W. Doering, Z. Naturforsch. 3a, 374 (1948)

Sehingga kita mengerti bahwa  : Hanya Abstractnya saja yang ditampilkan tetapi isi papernya tidak di publish.  Kemudian pada tahun 2004, Thomas. L. Gilbert menulis ulang kembali mengenai  persamaan LLG secara lengkap.  Hasil tulisan tersebut dipublikasikan pada jurnal  IEEE Transaction on Magnetic  Vol. 40 No. 6 November 2004 (http://mogadalai.wordpress.com/2007/10/11/the-case-of-the-curious-reference/)

Superparamagnetic

Secara umum suatu material berdasarkan sifat kemagnetannya dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian yaitu diamagnet, paramagnet, dan ferromagnet. Superparamagnet adalah material yang mirip dengan paramagnet tetapi mengandung juga sifat material ferromagnet atau mengadung domain magnet dalam ukuran kecil yang berbentuk kelompok (cluster) seperti crystallite.

Sifat superparamagnet timbul pada material yang berukuran kecil (1-10 nm). Dalam kondisi dibawah temperatur Curie, energi termal tidak cukup memisahkan interaksi gaya antara atom-atom tetapi hanya cukup untuk mengubah arah magnetisasi di dalam domain tersebut. Proses ini menyebabkan medan magnet menjadi nol dan material akan menyerupai material paramagnet.

Apa implikasinya dari sifat superparamagnet?

Saat ini kebutuhan pada piranti penyimpan data dengan kapasitas yang besar semakin meningkat seperti dalam bentuk tape, hard disk, disc optic, dll. Teknologi berusaha memenuhi kebutuhan pasar dengan meningkatkan kapasitasnya agar dapat menyimpan informasi (bit) yang lebih banyak yaitu dengan cara meningkatkan kerapatannya atau area density di dalam suatu disc memory. Timbul pertanyaan sejauh mana batas kerapatannya sehingga maksimal data dalam bentuk bit dapat disimpan? Dan berapa kapasitas yang dapat dicapai?

Kita mengetahui proses penyimpanan data sudah dilakukan kira-kira 30 tahun yang lalu. Proses penyimpanan data pada media magnetik dilakukan dengan metode longitudinal recording atau searah bidang magnetisasi. Bit pada sebuah disc berubah secara sejajar (parallel) atau anti-parallel terhadap arah ’head’ yang bergerak relatif terhadap disc. Untuk meningkatkan kerapatannya tentukan ukuran data bit di dalam disc harus di buat kecil.

Bagaimanapun juga proses ini mempunya batas-batas tertentu. Makin kecil ukuran bitnya otomatis energi magnetisasi pada bit itu juga mengecil. Akibatnya dengan perubahan sedikit temperatur akan menyebabkan proses demagnetisasi pada bit tersebut. Efek ini yang dikenal dengan superparamagnetic effect karena pengaruh ukuran yang kecil. Untuk mengatasi efek ini dilakukan dengan meningkatkan medan koersivitas magnetisasi tetapi ini juga mempunyai keterbatasan.  Artinya dengan mengubah ukuran bit menjadi kecil, signal to noise ratio atau S/N ratio juga mengalami kesulitan untuk mendeteksi signal dan menyebabkan menjadi tidak stabil. Sampai saat ini metode longitudinal recording maksimum mencapai sekitar 100 Gbit per square inch.

Sekarang ini sedang dikembangkan proses penyimpanan bit dengan metode perpendicular recording atau arah tegak lurus magnetisasi. Dengan metode ini diharapkan efek superparamagnet akan berkurang dan kapasitas penyimpanan data akan bertambah dapat melebihi dari 100 Gbit per square inch. Perusahaan besar seperti Seagate dan Hitachi sedang mengembangkan metode tersebut untuk meningkatkan kapasitas menjadi 1 Tbit (1024 Gbit ) per square inch.

Apakah ada korelasi antara dua kejadian gempa bumi?

Sepanjang tahun 2000 dunia banyak dikejutkan dengan peristiwa-peristiwa gempa bumi dengan kekuatan yang cukup besar, seperti India (2001, 7.9 SR), Afghanistan (2002, 5.8 SR), Iran (2003, 6.5 SR), Indonesia (Aceh:9.3 SR, 2004; Yogjakarta : 5.9, 2006 SR; Bengkulu : 7.9 SR, 2007 ), Kashmir, Pakistan (2005, 7.6 SR), Sichuan, China (2008, 8.0 SR), dan yang terkini adalah gempa yang terjadi di daerah L’Aquilla, Italia tanggal 6 April 2009 dengan kekuatan 6.3 SR.

Gempa bumi adalah peristiwa alam yang disebabkan oleh karena proses komplek pergerakan pada lempeng-lempeng kulit bumi sepanjang lempeng oceanic dan continental dan peristiwa gempa bumi sering terjadi di sekitar daerah dari lempeng tersebut. Efek energi hasil dari pergerakan antara lempeng-lempeng tersebut, kemudian dirasakan oleh manusia yang berada dipermukaan sebagai efek getaran permukaan atau ground shaking effect. Efek dari getaran ini tentukan tergantung dari besar energi dan jarak sumber pusat gempa terhadap permukaan. Efek inilah yang dapat menyebabkan kerusakan yang cukup fatal jika kekuatan energinya juga besar. Kekuatan gempa bumi diukur dengan menggunakan skala Richter, dari nama penemunya Charles F. Richter 1934 atau juga dengan menggunakan skala Mercalli, dari nama penemunya Giuseppe Mercalli 1902. Secara alami proses gempa bumi merupakan proses non linear dengan melibatkan hubungan yang komplek dalam ruang, waktu, dan tentunya kekuatan gempa itu sendiri (magnitude). Sehingga sampai saat ini riset mengenai gempa bumi masih merupakan objek yang cukup menarik dan tantangan bagi para saintis untuk mengerti mekanisme gempa bumi.

Dalam peristiwa gempa bumi sering timbul dengan kekuatan yang cukup besar atau yang dikenal dengan istilah mainshock dan kemudian diikuti dengan gempa-gempa kecil dengan kekuatan yang relatif kecil atau dikenal dengan istilah aftershock. Kadang-kadang juga sebelum terjadinya gempa dengan kekuatan besar didahului dengan gempa-gempa dengan kekuatan sedang atau kecil atau dikenal dengan foreshock. Umumnya posisi gempa bumi dalam suatu luasan tertentu membentuk kelompok-kelompok atau cluster. Biasanya pengamat cenderung menamai setiap kejadian gempa relatif terhadap kekuatan dan posisinya dalam ruang dan waktu, seperti foreshock, mainshock, dan aftershock. Artinya untuk menentukan gempa-gempa dari kejadian gempa yang besar atau aftershock dilakukan dengan space-time window tertentu yang ditentukan secara a priori oleh pengamat. Tentunya penentuan aftershock akan berbeda jika pemilihan space-time window juga berbeda. Kemudian metode ini tidak menjelaskan probabilitas korelasi aktual antara aftershock yang diakibatkan mainshock sebenarnya.

Marco Baiesi dan Maya Paczuki memcoba membuat hubungan korelasi antara dua kejadian gempa atau dengan yang lain dengan menggunakan pendekatan kuantitatif. Metode ini merupakan gabungan antara hukum-hukum statistik dan hukum Gutemberg-Richter (GR) mengenai gempa. Sifat korelasi antara dua kejadian gempa dinyatakan dengan Cij, dimana i dan j adalah kejadian-kejadian gempa dalam ruang dan waktu. Jika dua kejadian gempa sangat berhubungan akan ditandai dengan bilang C yang besar dari satu (C >>1). Pasangan kejadian gempa yang mempunya korelasi yang kuat akan membentuk hubungan (link node) dan kumpulan dari banyak link-node ini akan membentuk suatu jaringan atau network.

(Bersambung)

Peranan Micromagnetic Simulation

Hasil-hasil riset yang dipublikasikan dalam jurnal-jurnal international khususnya bidang magnet dalam skala mikro dan nano memperlihatkan juga hasil simulasi dari micromagnetic simulator selain hasil pengamatan dan pengukuran di laboratorium. Sehingga dapat diartikan begitu penting peranan simulasi micromagnetik sebelum melakukan eksperimen yang sebenarnya. Dengan hasil-hasil yang didapatkan dari simulasi, kita bisa menyiapkan dengan cermat apa yang seharusnya dilakukan agar suatu eksperimen dapat berjalan sukses. Apalagi eksperimen dilakukan menyangkut dalam ukuran mikro/nano yang tentunya dibutuh peralatan yang presisi tinggi, waktu yang lama, dan biaya yang besar. Simulasi micromagnetic yang ada dikembangkan berdasarkan persamaan dinamik dari spin dari suatu material ferromagnet karena pengaruh medan magnet luar yang dikenal persaman Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). Perkembangan selanjutnya simulasi micromagnetic juga mengikutsertakan pengaruh injeksi arus (induced-current) pada bahan ferromagnetik yang dikenal dengan fenomena spin-transfer-torque (STT).

Simulasi micromagnetic secara umum dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu pertama adalah yang dikembangkan secara individu bertujuan untuk menganalisis dinamika spin pada bagian tertentu, dan kedua adalah program yang dikembangkan secara group dari suatu lembaga riset baik bersifat freeware (gratis) atau commercial (membayar lisensi). Berikut ini beberapa micromagnetics simulator yang sering digunakan dalam riset magnetik.

A. Open Source/Freeware

1. PC Micromagnetics Simulator Release Beta 2.0 (SimulMag)

PC Micromagnetic Simulator (SimulMag) dikembangkan oleh John Oti dari Electromagnetic Technology Division of EEEL, NIST (National Institute of Standards and Technology).

Website : http://math.nist.gov/oommf/contrib/simulmag/simulmag.html.

Operation System : Windows.

2. OOMMF (Object Oriented Micromagnetic Framework)

OOMMF micromagnetics dikembangkan oleh Mike Donahue and Don Porter dari Mathematical and Computational Sciences Division (MCSD) , ITL, NIST bekerja sama dengan μMAG (Micromagnetic Modeling Activity Group).

Website: http://math.nist.gov/oommf, http://www.ctcms.nist.gov/~rdm/mumag.org.html

Operation System : Windows dan Unix.

3. NMag Micromagnetic Simulation

NMag dikembangkan oleh Hans Fangohr dan Thomas Fischbacher dari School of Engineering Sciences, Universitas Southampton. Algoritma yang digunakan menggunakan metode finite element.

Website : http://nmag.soton.ac.uk/nmag/

Operation System : Unix.

4. General Dynamic Micromagnetics (GDM2)
Program ini dikembangkan oleh Bo Yang
Website : http://physics.ucsd.edu/~drf/pub/

B. Commercial-ware

1. LLG Micromagnetic Simulators

Micromagnetic simulator ini dikembangkan oleh M. Scheinfein dengan simulasi 3 dimensi dan menggunakan integrasi persamaan Landau-Lifshitz-Gilbert-Langenvin.

Website : http://llgmicro.home.mindspring.com/

Operation system : Windows.

2. MagFEM3D
Program ini dikembangkan oleh K. Ramstöck
Website : http://www.ramstock.de/
Operation System : Unix dan Windows

3. Magsimus
Program ini dikembangkan oleh perusahaana Euxine Technologies
Website : http://www.euxine.com/
Operation System : Unix dan Windows

4. MicroMagus
Program ini dikembangkan oleh D. V. Berkov, N. L. Gorn
Website : http://www.micromagus.de/
Operation System : Unix dan Windows

Semoga bermanfaat.

Karakteristik arus spin dengan efek Doppler

D. Djuhana

Dalam dekade ini isu manipulasi arus spin (spin-current) merupakan isu yang hangat dalam bidang spintronics. Isu ini banyak berkaitan dengan teknologi media penyimpan data, terutama dalam piranti berbasis magnet dan piranti model baru electronic switching.  Arus spin baik spin-up atau spin-down dalam mengalir pada suatu ekperimen lapisan tipis ferromagnetik karena diberikan injeksi arus listrik (current-induced). Proses ini menyebabkan terjadinya perubahan orientasi spin . Spin yang berorientasi secara sejajar pada permukaan lapisan tipis lebih mudah mengalir dibandingkan yang berlawan (karena efek hamburan lebih dominan). Eksperimen menunjukan perubahan orientasi spin (switching spin) membutuh energy yang lebih kecil dibandingkan dengan muatan listrik (current-charge). Perubahan orientasi spin dalam bahan ferromagnetic menjadi perhatian yang cukup besar dalam perkembangan pada piranti penyimpan magnetik (magnetic memory devices) di masa depan.

Fenomena yang banyak diamati dalam arus spin adalah fenomena Giant Magnetoresistance (GMR), arus listrik mengalir pada dua lapisan tipis ferromagnetik yang diselingi bahan bahan non-magnetic. Ketika domain magnet dalam lapisan ferromagnetik berorientasi sejajar, arus listrik mengalir lebih mudah dibandingkan berlawan arah. Ini konsep dasar mengenai GMR yang banyak dikembangkan untuk sensor magnetik, MRAM, dan read-heads pada hard-disk drive. Dalam beberapa kasus lapisan antara dua ferromagnetik disisipi dengan bahan seperti MgO (magnesium oxside) berfungsi sebagai tunner barrier yang dikenal dengan Tunneling Magnetoresistance (TMR) dan perubahan hambatannya lebih besar dibandingkan dengan GMR.  Saat ini pengembangan MRAM dengan menggunakan orientasi arus spin baru pada tahap ”reading”  dengan menggunakan efek GMR atau TMR. Untuk dapat melakukan tahap ”writing” dibutuh medan magnet luar (magnetic-induced) sehingga orientasi spin pada salah satu lapisan ferromagnetic dapat berubah yang dikenal dengan ”soft-layer”. Secara sederhana ketika diinjeksi arus listrik terjadi proses aliran momentum angular menyertai arus spin yang menghasilkan sebuah spin transfer torque (STT) sehingga dapat merubah orientasi spin pada soft-layer dan proses ”writing” dalam berjalan. Lebih jauh efek STT dapat digunakan untuk menggerakan struktur magnetik domain wall pada ferromagnetic wire contohnya adalah Racetrack memory.

Pengamatan aliran arus spin secara eksperimen sangat sulit karena dibutuhkan alat dengan presisi tinggi untuk mengamati sifat dan orientasi arus spin. Salah satu yang sedang dikembangkan untuk mengamati fenomena aliran spin adalah isu yang dinyatakan oleh Vlaminck dan Bailleiul yang menggunakan sifat efek Doppler untuk menghitung aliran arus spin pada ferromagnetic wire.  Mereka mengukur perubahan perambatan dari gelombang spin (spin-waves) seperti osilasi dari orientasi spin.  Efek Doppler terjadi karena ada gerak relatif antara sumber bunyi dengan pengamat atau juga sumber dan pengamat dalam keadaan diam, sedangkan medium bergerak. Sebagai contoh adalah gelombang permukaan pada air. kecepatan gelombang merambat antara dua puncak jika diukur oleh pengamat akan memberikan nilai yang berbeda jika air dalam keadaan diam. Pengukuran perubahan ini dapat menentukan kecepatan aliran air (lihat gambar).  Hasil yang penting dari riset ini adalah mereka telah berhasil melakukan pengukuran osilasi frekuensi dari spin wave pada panjang gelombang tertentu saat adanya aliran spin-current.  Selanjutnya hasil ini dapat digunakan juga menentukan kecepatan aliran dari medium magnetik yang mana spin wave merambat dalam medium tersebut.  Pengukuran kecepatan aliran ini sangat fundamental karena dapat menentukan berapa besar arus listrik yang dapat digunakan untuk menggerakan domain wall dalam bahan ferromagnet.

Referensi

R. D. McMichael and M. D. Stiles, Science 322 , 386 (2008).

V. Vlaminck and M. Baielleul, Science 322, 410 (2008).

Semoga Allah memberikan kekuatan dan kesabaran

Sudah dua minggu, saya dan teman-teman tidak mengadakan pengajian rutin atau liqo bersama pak Gufronz, biasanya setiap 2 minggu kita rutin mengadakan kajian bersama beliau. Biasanya liqo diadakan ditempat teman kami, Isnaeni di kota Daejon, kira-kira 40 menit dari kota Cheongju. Sudah hampir setahun setengah saya mengikuti liqo ini bersama teman-teman denga pak Gufronz sebagai leader-nya.

Biasanya beliau segera memberikan konfirmasi jika akan mengadakan liqo, tetapi sudah 3 minggu juga tidak ada kabar. Ternyata beliau kembali ke Indonesia, ada apa gerangan? Saya mendapat kabar bahwa anak beliau sedang dapat musibah yang sangat berat dan sekarang sedang kondisi kritis di rumah sakit. Tetapi ketika saya membuka e-mail ternyata putri beliau sudah dipanggil yang Maha Kuasa. Selang satu minggu kemudian saya mendapat kabar lagi bahwa mertua beliau juga wafat. Begitu besar cobaan yang diberikan kepada keluarga pak Gufronz atas kehilangan keluarga yang dicintai. Ya Allah berikan kesabaran dan ketabahan untuk guru kami,  pak Gufronz  dan keluarganya.

Tiap-tiap yang berjiwa akan merasakan mati. Kemudian hanyalah kepada Kami kamu dikembalikan. (AL’ANKABUUT 57).

Tiap-tiap yang berjiwa akan merasakan mati. Kami akan menguji kamu dengan keburukan dan kebaikan sebagai cobaan (yang sebenar-benarnya). Dan hanya kepada Kami lah kamu dikembalikan. (AL ANBYAA’ 35)

Tiap-tiap yang berjiwa akan merasakan mati. Dan sesungguhnya pada hari kiamat sajalah disempurnakan pahalamu. Barang siapa dijauhkan dari neraka dan dimasukkan ke dalam surga, maka sungguh ia telah beruntung. Kehidupan dunia itu tidak lain hanyalah kesenangan yang memperdayakan. (ALI ‘IMRAN 185).

Katakanlah: “Aku tidak berkuasa mendatangkan kemudaratan dan tidak (pula) kemanfaatan kepada diriku, melainkan apa yang dikehendaki Allah.” Tiap-tiap umat mempunyai ajal. Apabila telah datang ajal mereka, maka mereka tidak dapat mengundurkannya barang sesaat pun dan tidak (pula) mendahulukan (nya). (YUNUS 49).

Katakanlah: “Sesungguhnya kematian yang kamu lari daripadanya, maka sesungguhnya kematian itu akan menemui kamu, kemudian kamu akan dikembalikan kepada (Allah), yang mengetahui yang gaib dan yang nyata, lalu Dia beritakan kepadamu apa yang telah kamu kerjakan”. (AL JUMU’AH 08).

Kematian adalah hak prerogatif Allah SWT, kita tidak tahu kapan dan dimana kita akan menemui ajal. Yang penting adalah kita selalu berusaha dan berdoa agar akhir hidup kita dalam keadaan husnul khotimah, amin

Apa itu Racetrack Memory (RM)?

Proses penyimpanan memori dalam bentuk informasi digital dapat dibedakan menjadi dua tipe yaitu pertama solid-state random acces memory atau yang dikenal dengan RAM dan kedua tipe magnetic hardisk drives atau  HDD.  Perbedaan antara HDD dan RAM adalah kapasitas HDD lebih besar dibandingkan dengan RAM yang kira-kira mendekati 100 kalinya tetapi secara intrinsik HDD membutuhkan respon aktif lebih lama dibandingkan RAM kira-kira beberapa millidetik.  Isu ini merupakan topik hangat dikalangan para ilmuwan pada bidang nanoteknologi khususnya bidang nanomagnetik yaitu bagaimana mengembangkan dan menciptakan media penyimpan berbasis magnetik dengan kemampuan respon yang lebih baik dari RAM, mempunyai kerapatan tinggi, mudah diproduksi, non-volatile dan tentunya berharga murah. Negara-negara maju seperti USA, German, Jepang, China dan Korea dengan teknologi tingginya berlomba-lomba untuk mengembangkan piranti berbasis magnet tersebut. Salah satu piranti penyimpan berbasis magnet yang telah dikembangkan dan memiliki prospek sebagai magnetic memory device di masa depan adalah Racetrack memory. Racetrack memory (RM) ini dikembangkan oleh ilmuwan IBM Almaden Research Center, USA yang diketuai oleh Dr. Stuart Parkin, yang terkenal dengan riset nanomagnetik.

Secara fisik, RM adalah sebuah magnetic nanowire dan terbuat dari bahan ferromagnet yang diatur secara vertikal atau horisontal diatas sebuah silicon substract. Nanowire adalah material ferromagnet dalam ukuran nano dengan rasio ukuran panjangnya lebih besar dibandingkan dengan lebarnya dengan perbandingan 10:1 dan mempunyai ketebalan antara 10 nm sampai 50 nm. Pada Racetrack memori mempunyai ukuran lebar antara 100-500 nn dan ketebalan antara 10-50 nm. Proses selanjutnya adalah RM diberikan injeksi arus (current-induced) sehingga menyebabkan domain wall dalam magnetic nanowire bergerak.  Konfigurasi gerakan spin di dalam struktur domain wall dapat berupa konfigurasi head-to-head atau tail-to-tail. Akibat diinjeksikan pulsa arus listrik menyebabkan domain wall bergerak secara bergantian dalam nanowire ferromagnet. Proses bergeraknya domain wall akibat arus dapat diinterpretasi sebagai “0” bit dimana kondisi domain wall tidak bergerak dan “1” dimana domain wall bergerak. Konsep penyimpan memori dengan menggunakan pergerakan domain wall dengan injeksi arus di kenal dengan domain wall data bit.

Keunggulan piranti RM ini mempunyai kemampuan mengontrol 10 sampai  100 domain wall di dalam tiap magnetic nanowire untuk proses membaca (reading) dan menulis (writing). Hal yang cukup penting adalah mengontol injeksi arus listrik yang diberikan pada RM untuk mengontrol gerakan domain wall. Rata-rata injeksi arus dibutuhkan untuk membuat spin terpolarisasi (spin-polarized current) adalah sebesar 100 Mega-Ampere per centimeter kuadrat dengan waktu selama 14 ns agar  domain wall bergerak stabil di dalam RM. Jika kerapatan pulsa arus yang diinjeksikan terlalu tinggi maka akan meningkat proses pemanasan Joule atau efek thermal sehingga dapat menghilang struktur domain wall dalam RM. Dalam kasus yang ekstrim, temperatur nanowire dapat mencapai temperatur Curie pada Permalloy (mendekati 850 K). Sehingga isu kerapatan arus atau critical current sangat vital pada piranti racetrack memory agar tetap stabil.

Keterangan gambar :  (A) Konfigurasi RM secara vertikal  (B) Konfigurasi RM secara horisontal. Pada gambar terlihat pergerakan domain wall yang diilustrasikan dengan warna merah dan biru yang begerak secara bergantian sebagai domain wall data bit, (C) Proses membaca (reading) data yang dilakukan dengan pengukuran tunnel magnetoresitance, (D) Proses pembaca data  terlihata RM bergerak untuk menyimpan data bit, dan (E) Rangkaian RM yang disusun pada sebuah chip yang mampu menyimpan data dengan kerapatan tinggi.

Referensi

Stuart Parkin, et al Magnetic Domain Wall Racetrack Memory, Science 320, 190-194  (2008 )

L.Thomas et al., Nature 443, 197 (2006).

M. Hayashi et al., Phys. Rev. Lett. 98, 197207 (2006).