Mn3Sn-geheugen schakelt in 40 picoseconden, duizend keer sneller dan DRAM
Onderzoekers aan de Universiteit van Tokyo demonstreren een antiferromagnetisch geheugenelement dat in 40 picoseconden van bit wisselt, zonder de hitte die eerdere ultrasnelle schakelaars onbruikbaar maakte.
Een team rond Satoru Nakatsuji aan de Universiteit van Tokyo heeft een spintronisch geheugenapparaat gedemonstreerd dat een bit in 40 picoseconden omdraait. Dat is ruwweg duizend keer sneller dan een DRAM-cel. Het apparaat is niet-vluchtig, behoudt de bit dus zonder voedingsspanning, en produceert volgens de groep nauwelijks restwarmte. Het werk werd deze maand gepubliceerd in Science.
Het apparaat
Het gebruikte materiaal is Mn3Sn, een antiferromagnetische verbinding van mangaan en tin. Antiferromagneten hebben geen netto magnetisatie, omdat aangrenzende spins elkaar opheffen. Lange tijd werden ze daarom als ongeschikt voor geheugen beschouwd: zonder netto moment is er weinig te lezen of te schrijven. Mn3Sn breekt die regel. De spinconfiguratie heeft een chirale structuur die zich gedraagt als een leesbare toestand, terwijl de afwezigheid van netto magnetisatie het materiaal ongevoelig maakt voor strooivelden en daardoor potentieel zeer dicht te integreren.
Het Tokyo-team schreef bits door ultrakorte stroompulsen aan te leggen op een dunne Mn3Sn-laag. De pulsen wekken spin-orbit-koppel op, dat de chirale orde over een drempel duwt en de bit omklapt. Bij eerdere demonstraties van picoseconde-schakelen ging dat gepaard met temperatuurpieken van honderden kelvin, waardoor thermisch gedrag het eigenlijke schakelmechanisme overschaduwde. De groep meldt dat het nieuwe regime grotendeels niet-thermisch is, en dat de chip dus niet als een interne kookplaat fungeert tijdens het schrijven.
De laser als injector
Naast de elektrische route koppelden de onderzoekers een fotodiode aan het geheugenelement. Een laserpuls in de telecombandgolflengten wordt door de fotodiode omgezet in een ultrasnelle stroompuls, die het Mn3Sn vervolgens beschrijft. Dat verbindt optische datapaden direct met magnetische opslag, zonder tussenliggende elektronica die de schakeltijd zou domineren. In een datacenter waar glasvezel de ruggengraat is, schrapt zo'n element een conversiestap.
Vergelijking met bestaand geheugen
DRAM schakelt in de orde van nanoseconden en moet duizenden keren per seconde worden ververst, wat een continue stroom van energie kost. SRAM is sneller, maar verbruikt veel per cel en schaalt slecht naar grote capaciteiten. Flash is niet-vluchtig, maar veel te traag voor werkgeheugen. Commerciele STT-MRAM, ook spintronisch, zit doorgaans rond enkele nanoseconden. Een schakeltijd van 40 picoseconden plaatst het Mn3Sn-element onder dat alles, dichter bij de snelheid van logische gates dan bij die van klassiek geheugen.
De link met AI-hardware
Grote AI-modellen lopen vast op geheugenbandbreedte en op het stroomverbruik van geheugenverkeer. Een groot deel van de energie in een GPU-cluster gaat op aan data verplaatsen, niet aan rekenen. Niet-vluchtig geheugen dat op picoseconde-schaal schakelt en weinig warmte produceert, kan de scheiding tussen werkgeheugen en opslag vervagen en de hoeveelheid data die continu in beweging moet zijn verkleinen. Nakatsuji schetst scenarios waarin downloads die nu een uur duren in een seconde verwerkt kunnen worden; concrete benchmarks op systeemniveau ontbreken vooralsnog.
Voorgeschiedenis
Hetzelfde lab toonde in 2022 in Nature voor het eerst volledige elektrische schakeling van de chirale antiferromagnetische orde in Mn3Sn met spin-orbit-koppel. In een gerelateerd traject beschreef een groep onder Ryo Shimano eind 2025 in Nature Materials de twee onderliggende schakelmechanismen, een thermisch en een niet-thermisch, op een tijdschaal van ongeveer 140 picoseconden. Het huidige werk verkort die tijd naar 40 picoseconden en koppelt het mechanisme aan een fotonische ingang.
Wat nog ontbreekt
De demonstratie betreft losse testapparaten, geen geheugenarray. Concrete getallen over schakelenergie per bit, retentietijd, leessnelheid, schrijfendurance en celdichtheid zijn in de publieke samenvatting niet vrijgegeven. Ook is onduidelijk of het materiaal in CMOS-compatibele processen kan worden geintegreerd en bij welke temperaturen het buiten een laboratoriumopstelling betrouwbaar blijft. Spintronisch geheugen kent een lange geschiedenis van labordoorbraken die jaren tot decennia kosten voordat ze in een product belanden; commerciele MRAM deed er meer dan twintig jaar over.
