Odkritja magnetnih in laserskih eksperimentov bi lahko bila korist za energetsko učinkovito shranjevanje podatkov.
"Želeli smo preučiti fiziko optomagnetnih interakcij," je povedal Rahul Jangid, ki je vodil analizo podatkov za projekt, medtem ko je doktoriral. v znanosti o materialih in inženirstvu pod vodstvom Roopali Kukreja, izrednega profesorja na UC Davis. "Kaj se zgodi, ko zadenete magnetno domeno z zelo kratkim laserskim impulzom?"
Domena je območje znotraj magneta, ki se obrača od severnega proti južnemu polu. Ta lastnost se uporablja za shranjevanje podatkov, na primer v trdih diskih računalnikov.
Jangid in njegovi sodelavci so ugotovili, da se domenske stene v feromagnetni plasti, ko magnet zadene impulzni laser, premikajo s približno 66 kilometri na sekundo, kar je približno 100-krat hitreje od prej predvidene omejitve hitrosti.
Domenski zidovi, ki se gibljejo pri takšnih hitrostih, bi lahko dramatično vplivali na to, kako se podatki shranjujejo in obdelujejo, kar bi zagotovilo hitrejši, stabilnejši pomnilnik in zmanjšalo porabo energije naprav spintronike, kot so trdi diski, ki za shranjevanje uporabljajo vrtenje elektronov znotraj več plasti magnetne kovine, obdelujejo ali prenašajo informacije.
"Nihče si ni mislil, da se ti zidovi lahko premikajo tako hitro, ker naj bi dosegli svoje meje," je dejal Jangid. "Sliši se popolnoma bananasto, a je res." To je "banana" zaradi Walkerjevega pojava razčlenitve, ki pravi, da se lahko domenske stene z določeno hitrostjo potisnejo toliko daleč, preden se dejansko porušijo in se nehajo premikati. Vendar pa ta študija zagotavlja dokaze, da se laserji lahko uporabljajo za pogon domenskih sten pri prej neznanih hitrostih.
Medtem ko večina osebnih naprav, kot so prenosniki in mobilni telefoni, uporablja hitrejše bliskovne pogone, podatkovni centri uporabljajo cenejše in počasnejše trde diske. Vendar vsakič, ko se malo informacij obdela ali obrne, pogoni porabijo veliko energije z uporabo magnetnega polja za prevajanje toplote skozi tuljave. Če bi pogoni lahko uporabljali laserske impulze na magnetnih plasteh, bi naprave delovale pri nižjih napetostih in energija, potrebna za obračanje bitov, bi se močno zmanjšala.
Trenutne projekcije kažejo, da bodo IKT do leta 2030 predstavljale 21 odstotkov svetovnega povpraševanja po energiji, kar bo prispevalo k podnebnim spremembam, ugotovitev, ki so jo poudarili Jangid in soavtorji v dokumentu z naslovom "Ekstremne hitrosti sten domene pri ultrahitrem optičnem vzbujanju", ki je bil objavljen 19. december v reviji Physical Review Letters. Odkritje prihaja v času, ko je iskanje tehnologij za varčevanje z energijo ključnega pomena.
Za izvedbo eksperimenta so Jangid in njegovi sodelavci, vključno z raziskovalci iz Nacionalnega inštituta za znanost in tehnologijo; Univerza v Kaliforniji, San Diego; Univerza v Koloradu, Univerza v Colorado Springsu in Univerza v Stockholmu so uporabile Multidisciplinarni raziskovalni objekt za lasersko sevanje prostih elektronov, laserski vir prostih elektronov v Trstu v Italiji.
"Laser s prostimi elektroni je nora naprava," je dejal Jangid. »To je 2-miljo dolga vakuumska cev, v katero vzamete peščico elektronov, jih pospešite do svetlobne hitrosti in jih na koncu zavrtite, da ustvarite tako svetle rentgenske žarke, da lahko, če niste previdni, Pomislite na to, da bi vso sončno svetlobo, ki pade na Zemljo, osredotočili na peni - to je, koliko fotonskega toka imamo pri laserju prostih elektronov.
Pri Fermiju je skupina uporabila rentgenske žarke, da bi izmerila, kaj se zgodi, ko nanometrske magnete z več plastmi kobalta, železa in niklja vzbujajo femtosekundni impulzi. Femtosekunda je opredeljena kot 10 na minus petnajstino sekunde ali ena milijoninka milijarde sekunde.
"V sekundi je več femtosekund kot dni v starosti vesolja," je dejal Jangid. "To so zelo majhne, izjemno hitre meritve in težko si jih je zamisliti."
Jangid analizira podatke in ugotovil, da ti ultrahitri laserski impulzi vzbujajo feromagnetno plast in povzročajo premikanje domenskih sten. Glede na to, kako hitro se te domenske stene premikajo, študija kaže, da bi lahko ti ultrahitri laserski impulzi preklapljali shranjene delčke informacij približno 1,000-krat hitreje kot metode, ki temeljijo na magnetnem polju ali vrtilnem toku, ki se uporabljajo danes.
Tehnika je daleč od praktične, saj trenutni laserji porabijo veliko energije. Vendar pa Jangid pravi, da bi procesi, podobni tistim, ki jih uporabljajo kompaktni diski za shranjevanje informacij z uporabo laserjev in predvajalniki CD-jev za predvajanje informacij z uporabo laserjev, lahko delovali v prihodnosti.
Naslednji koraki vključujejo nadaljnje raziskovanje fizikalnih lastnosti mehanizma, ki omogoča ultrahitre hitrosti domenske stene nad prej znanimi mejami, kot tudi slikanje gibanja domenske stene. Ta raziskava se bo nadaljevala na UC Davis pod vodstvom Kukreje. Jangid zdaj izvaja podobne raziskave na National Synchrotron Light Source 2 v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven.
"Obstaja veliko vidikov ultrahitrih pojavov, ki jih šele začenjamo razumeti," je dejal Jangid. "Želim se lotiti nekaterih odprtih vprašanj, ki bi lahko sprostila transformativni napredek na področju spintronike z nizko porabo energije, shranjevanja podatkov in obdelave informacij."
