Descoperirile din experimentele cu magnet și laser ar putea fi un avantaj pentru stocarea de date eficientă din punct de vedere energetic.
„Am vrut să studiem fizica interacțiunilor optomagnetice”, a spus Rahul Jangid, care a condus analiza datelor pentru proiect în timp ce și-a câștigat doctoratul. în știința materialelor și inginerie sub conducerea lui Roopali Kukreja, profesor asociat la UC Davis. „Ce se întâmplă când lovești un domeniu magnetic cu un impuls laser foarte scurt?”
Un domeniu este o regiune din interiorul unui magnet care se întoarce de la polul nord la polul sud. Această proprietate este utilizată pentru stocarea datelor, cum ar fi hard disk-urile computerelor.
Jangid și colegii săi au descoperit că atunci când un magnet este lovit de un laser pulsat, pereții domeniului din stratul feromagnetic se mișcă cu aproximativ 66 de kilometri pe secundă, ceea ce este de aproximativ 100 de ori mai rapid decât limita de viteză considerată anterior.
Pereții domeniului care se mișcă la astfel de viteze ar putea afecta în mod dramatic modul în care datele sunt stocate și procesate, oferind o memorie mai rapidă și mai stabilă și reducând consumul de energie al dispozitivelor spintronice, cum ar fi hard disk-urile, care utilizează rotații de electroni în mai multe straturi de metal magnetic pentru stocare, procesează sau transmite informații.
„Nimeni nu a crezut că acești ziduri se pot mișca atât de repede pentru că trebuiau să-și atingă limitele”, a spus Jangid. „Sună absolut banane, dar este adevărat”. Este vorba despre „banane” din cauza fenomenului de defalcare Walker, care spune că pereții domeniului pot fi împinși doar atât de departe cu o viteză dată înainte ca aceștia să se rupă efectiv și să nu se mai miște. Cu toate acestea, acest studiu oferă dovezi că laserele pot fi folosite pentru a conduce pereții domeniului la viteze necunoscute anterior.
În timp ce majoritatea dispozitivelor personale, cum ar fi laptopurile și telefoanele mobile, folosesc unități flash mai rapide, centrele de date folosesc hard disk-uri mai ieftine și mai lente. Cu toate acestea, de fiecare dată când un pic de informație este procesat sau răsturnat, unitățile ard multă energie folosind un câmp magnetic pentru a conduce căldura prin bobine. Dacă unitățile ar putea folosi impulsuri laser pe straturile magnetice, dispozitivele ar funcționa la tensiuni mai mici, iar energia necesară pentru inversarea biților ar fi mult redusă.
Proiecțiile actuale sugerează că TIC-urile vor reprezenta 21% din cererea mondială de energie până în 2030, contribuind la schimbările climatice, o constatare evidențiată de Jangid și co-autori într-o lucrare intitulată „Vitezele pereților de domeniu extrem sub excitare optică ultrarapidă”, care a fost publicată. 19 decembrie în revista Physical Review Letters. Descoperirea vine într-un moment în care căutarea tehnologiilor de economisire a energiei este critică.
Pentru a efectua experimentul, Jangid și colaboratorii săi, inclusiv cercetători de la Institutul Național de Știință și Tehnologie; Universitatea din California, San Diego; Universitatea din Colorado, Universitatea din Colorado Springs și Universitatea din Stockholm au folosit Centrul de cercetare multidisciplinară pentru radiația laser cu electroni liberi, o sursă laser cu electroni liberi situată în Trieste, Italia.
„Laserul cu electroni liberi este o facilitate nebună”, a spus Jangid. „Este un tub cu vid lung de 2-mile în care iei o mână de electroni, îi accelerezi până la viteza luminii și, în cele din urmă, îi rotești pentru a produce raze X atât de strălucitoare încât, dacă nu ești atent, eșantionul ar putea fi vaporizat.Gândiți-vă la asta ca la focalizarea întregii lumini solare care cade pe Pământ pe un ban - atât de mult flux de fotoni avem la laserul cu electroni liberi.
La Fermi, grupul a folosit razele X pentru a măsura ce se întâmplă atunci când magneții la scară nanometrică cu mai multe straturi de cobalt, fier și nichel sunt excitați de impulsuri femtosecunde. O femtosecundă este definită ca de la 10 la minus cincisprezecea secundă sau o milioneme dintr-o miliardime de secundă.
„Sunt mai multe femtosecunde într-o secundă decât zile în era universului”, a spus Jangid. „Acestea sunt măsurători foarte mici, extrem de rapide și este greu să le înțelegi.”
Jangid analizează datele și a descoperit că aceste impulsuri laser ultrarapide excită stratul feromagnetic, determinând mișcarea pereților domeniului. Pe baza cât de repede se mișcă acești pereți de domeniu, studiul sugerează că aceste impulsuri laser ultrarapide ar putea comuta biții stocați de informații de aproximativ 1,000 ori mai rapid decât metodele bazate pe câmpul magnetic sau pe curent de spin utilizate astăzi.
Tehnica este departe de a fi practică, deoarece laserele actuale consumă multă putere. Cu toate acestea, Jangid spune că procese similare cu cele utilizate de discurile compacte pentru a stoca informații folosind lasere și CD playere pentru a reda informații folosind lasere ar putea funcționa în viitor.
Următorii pași includ explorarea în continuare a proprietăților fizice ale mecanismului care permite viteze ultrarapide ale peretelui domeniului peste limitele cunoscute anterior, precum și imaginea mișcării peretelui domeniului. Această cercetare va continua la UC Davis sub conducerea lui Kukreja. Jangid efectuează acum cercetări similare la Sursa Națională de Lumină Sincrotron 2 la Laboratorul Național Brookhaven.
„Există multe aspecte ale fenomenelor ultrarapide pe care abia începem să le înțelegem”, a spus Jangid. „Sunt nerăbdător să abordez unele dintre întrebările restante care ar putea debloca progrese transformatoare în domeniile spintronicii cu putere redusă, stocarea datelor și procesarea informațiilor.”
