A mágneses és lézeres kísérletekből származó felfedezések hasznosak lehetnek az energiahatékony adattároláshoz.
"Szerettük volna tanulmányozni az optomágneses kölcsönhatások fizikáját" - mondta Rahul Jangid, aki a projekt adatelemzését vezette, miközben doktori címet szerzett. anyagtudományban és mérnöki szakon Roopali Kukreja, az UC Davis egyetemi docense irányításával. "Mi történik, ha egy nagyon rövid lézerimpulzussal eltalál egy mágneses tartományt?"
A tartomány a mágnesen belüli terület, amely az északi pólusról a déli pólusra fordul. Ez a tulajdonság adattárolásra szolgál, például számítógép merevlemez-meghajtóiban.
Jangid és munkatársai azt találták, hogy amikor egy mágnest impulzuslézer ér, a ferromágneses rétegben a tartomány falai körülbelül 66 kilométer/s sebességgel mozognak, ami körülbelül 100-szor gyorsabb, mint a korábban feltételezett sebességhatár.
Az ilyen sebességgel mozgó tartományfalak drámaian befolyásolhatják az adatok tárolását és feldolgozását, gyorsabb, stabilabb memóriát biztosítva, és csökkentve a spintronikai eszközök, például a merevlemez-meghajtók energiafogyasztását, amelyek több mágneses fémrétegen belüli elektron spineket használnak tárolására. feldolgozni vagy továbbítani az információkat.
"Senki sem gondolta, hogy ezek a falak ilyen gyorsan mozoghatnak, mert el kellett volna érniük a határaikat" - mondta Jangid. – Teljesen banánnak hangzik, de igaz. Ez a "banán" a Walker lebontási jelenség miatt, ami azt mondja, hogy a tartományfalakat csak adott sebességgel lehet addig tolni, amíg ténylegesen le nem omlanak és megállnak. Ez a tanulmány azonban bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a lézerek használhatók a tartományfalak korábban ismeretlen sebességgel történő meghajtására.
Míg a legtöbb személyes eszköz, például laptopok és mobiltelefonok gyorsabb flash meghajtókat használnak, az adatközpontok olcsóbb, lassabb merevlemezeket használnak. Azonban minden alkalommal, amikor egy kis információt feldolgoznak vagy megfordítanak, a meghajtók sok energiát égetnek el azáltal, hogy mágneses mező segítségével hőt vezetnek át a tekercseken. Ha a meghajtók lézerimpulzusokat tudnának használni a mágneses rétegeken, akkor az eszközök alacsonyabb feszültségen működnének, és a bitfordításhoz szükséges energia jelentősen csökkenne.
A jelenlegi előrejelzések szerint 2030-ra az IKT-k a világ energiaigényének 21 százalékát teszik majd ki, hozzájárulva az éghajlatváltozáshoz. Erre a megállapításra Jangid és társszerzői is rávilágítottak az „Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation” című tanulmányban. december 19-én a Physical Review Letters folyóiratban. A felfedezés olyan időszakban történt, amikor az energiatakarékos technológiák keresése kritikus fontosságú.
A kísérlet elvégzéséhez Jangid és munkatársai, köztük a National Institute of Science and Technology kutatói; a Kaliforniai Egyetem, San Diego; a Colorado-i Egyetem, a Colorado Springs-i Egyetem és a Stockholmi Egyetem a Free Electron Laser Radiation Multidiszciplináris Kutatóintézetet használta, amely egy szabadelektron-lézerforrás, amely az olaszországi Triesztben található.
"A Free Electron Laser egy őrült létesítmény" - mondta Jangid. "Ez egy 2-mérföld hosszú vákuumcső, amelyből egy maroknyi elektront fel kell gyorsítani a fénysebességre, és végül megforgatni őket, hogy olyan fényes röntgensugarakat hozzon létre, hogy ha nem vigyáz, A mintát el lehet párologtatni, úgy, hogy a Földre eső összes napfényt egy fillérre fókuszáljuk – ennyi fotonfluxusunk van a szabadelektronos lézernél.
A Ferminél a csoport röntgensugarak segítségével mérte meg, mi történik, ha több kobalt-, vas- és nikkelrétegű nanoméretű mágneseket femtoszekundumos impulzusokkal gerjesztenek. A femtoszekundumot a másodperc 10-től mínusz tizenötödik részéig, vagy a másodperc egy milliomod részeként definiálják.
"Több femtoszekundum van egy másodpercben, mint amennyi nap a világegyetem korában" - mondta Jangid. "Ezek nagyon kicsi, rendkívül gyors mérések, és nehéz felkapni a fejét."
Jangid elemzi az adatokat, és azt találta, hogy ezek az ultragyors lézerimpulzusok gerjesztik a ferromágneses réteget, ami a tartomány falainak mozgását okozza. A tartományfalak mozgási sebessége alapján a tanulmány azt sugallja, hogy ezek az ultragyors lézerimpulzusok körülbelül 1,{1}}-szer gyorsabban képesek váltani a tárolt információbiteket, mint a ma használt mágneses mező vagy spin-áram alapú módszerek.
A technika távolról sem praktikus, mert a jelenlegi lézerek sok energiát fogyasztanak. Jangid azonban azt állítja, hogy a kompakt lemezek által használt lézerek és CD-lejátszók által használt információk tárolására használt eljárásokhoz hasonló eljárások működhetnek a jövőben.
A következő lépések közé tartozik annak a mechanizmusnak a fizikai tulajdonságainak további feltárása, amely lehetővé teszi a korábban ismert határértékek feletti ultragyors tartományfali sebességet, valamint a tartományfal mozgásának leképezését. Ez a kutatás az UC Davisben folytatódik Kukreja vezetésével. Jangid jelenleg hasonló kutatást végez a Brookhaven National Laboratory 2. nemzeti szinkrotron fényforrásában.
"Az ultragyors jelenségeknek sok olyan aspektusa van, amelyeket most kezdünk megérteni" - mondta Jangid. "Szeretném megválaszolni azokat a megoldatlan kérdéseket, amelyek a kis fogyasztású spintronika, az adattárolás és az információfeldolgozás területén átformáló előrelépéseket nyithatnak meg."
