Ontdekkingen uit magneet- en laserexperimenten kunnen een zegen zijn voor energie-efficiënte gegevensopslag.
"We wilden de fysica van optomagnetische interacties bestuderen", zegt Rahul Jangid, die de data-analyse voor het project leidde terwijl hij promoveerde. in materiaalkunde en techniek onder leiding van Roopali Kukreja, universitair hoofddocent aan UC Davis. "Wat gebeurt er als je een magnetisch domein raakt met een zeer korte laserpuls?"
Een domein is een gebied binnen een magneet dat van de noordpool naar de zuidpool draait. Deze eigenschap wordt gebruikt voor gegevensopslag, zoals op de harde schijven van computers.
Jangid en zijn collega's ontdekten dat wanneer een magneet wordt geraakt door een gepulseerde laser, de domeinwanden in de ferromagnetische laag met ongeveer 66 kilometer per seconde bewegen, wat ongeveer 100 keer sneller is dan de eerder gedacht snelheidslimiet.
Domeinmuren die met zulke snelheden bewegen, kunnen een dramatische invloed hebben op de manier waarop gegevens worden opgeslagen en verwerkt, waardoor sneller en stabieler geheugen ontstaat en het energieverbruik van spintronica-apparaten, zoals harde schijven, wordt verminderd, die elektronenspins in meerdere lagen magnetisch metaal gebruiken om gegevens op te slaan. informatie verwerken of doorgeven.
"Niemand had gedacht dat deze muren zo snel konden bewegen omdat ze hun grenzen zouden bereiken", zei Jangid. "Het klinkt absoluut banaal, maar het is waar." Het zijn 'bananen' vanwege het Walker-instortingsfenomeen, dat zegt dat domeinmuren met een bepaalde snelheid maar zo ver kunnen worden geduwd voordat ze effectief instorten en niet meer bewegen. Deze studie levert echter bewijs dat lasers kunnen worden gebruikt om domeinmuren met voorheen onbekende snelheden aan te drijven.
Terwijl de meeste persoonlijke apparaten zoals laptops en mobiele telefoons snellere flashdrives gebruiken, gebruiken datacenters goedkopere, langzamere harde schijven. Elke keer dat er een stukje informatie wordt verwerkt of omgedraaid, verbranden de schijven echter veel energie door een magnetisch veld te gebruiken om warmte door de spoelen te geleiden. Als aandrijvingen laserpulsen op de magnetische lagen zouden kunnen gebruiken, zouden de apparaten op lagere spanningen werken en zou de energie die nodig is voor het omdraaien van bits aanzienlijk worden verminderd.
Volgens de huidige projecties zal ICT in 2030 21 procent van de mondiale energievraag voor zijn rekening nemen, wat zal bijdragen aan de klimaatverandering, een bevinding die wordt benadrukt door Jangid en co-auteurs in een artikel met de titel ‘Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation’, dat werd gepubliceerd. 19 december in het tijdschrift Physical Review Letters. De ontdekking komt op een moment dat de zoektocht naar energiebesparende technologieën van cruciaal belang is.
Om het experiment uit te voeren, hebben Jangid en zijn medewerkers, waaronder onderzoekers van het National Institute of Science and Technology; de Universiteit van Californië, San Diego; de Universiteit van Colorado, de Universiteit van Colorado Springs en de Universiteit van Stockholm gebruikten de multidisciplinaire onderzoeksfaciliteit voor vrije elektronenlaserstraling, een vrije-elektronenlaserbron in Triëst, Italië.
"De Free Electron Laser is een gekke faciliteit", zei Jangid. "Het is een 2-mijllange vacuümbuis waarin je een handvol elektronen neemt, ze versnelt tot de snelheid van het licht en ze uiteindelijk ronddraait om röntgenstralen te produceren die zo helder zijn dat als je niet oppast, je Zie het als het concentreren van al het zonlicht dat op aarde valt op een cent, dat is de hoeveelheid fotonenflux die we hebben bij de vrije-elektronenlaser.
Bij Fermi gebruikte de groep röntgenstralen om te meten wat er gebeurt als magneten op nanoschaal met meerdere lagen kobalt, ijzer en nikkel worden opgewonden door femtosecondepulsen. Een femtoseconde wordt gedefinieerd als 10 tot de min vijftiende van een seconde, oftewel een miljoenste van een miljardste van een seconde.
"Er zijn meer femtoseconden in een seconde dan er dagen zijn in de leeftijd van het universum", zei Jangid. "Dit zijn hele kleine, extreem snelle metingen, en het is moeilijk om er je hoofd omheen te krijgen."
Jangid analyseert de gegevens en heeft ontdekt dat het deze ultrasnelle laserpulsen zijn die de ferromagnetische laag prikkelen, waardoor de domeinwanden bewegen. Gebaseerd op hoe snel deze domeinmuren bewegen, suggereert het onderzoek dat deze ultrasnelle laserpulsen opgeslagen stukjes informatie ongeveer 1,000 maal sneller kunnen schakelen dan de op magnetische velden of spinstroom gebaseerde methoden die tegenwoordig worden gebruikt.
De techniek is verre van praktisch omdat de huidige lasers veel stroom verbruiken. Jangid zegt echter dat processen die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt door compact disks om informatie op te slaan met behulp van lasers en cd-spelers om informatie af te spelen met behulp van lasers in de toekomst zouden kunnen werken.
Volgende stappen omvatten het verder onderzoeken van de fysieke eigenschappen van het mechanisme dat ultrasnelle domeinmuursnelheden boven eerder bekende limieten mogelijk maakt, evenals het in beeld brengen van de beweging van de domeinmuur. Dit onderzoek zal worden voortgezet bij UC Davis onder leiding van Kukreja. Jangid voert nu soortgelijk onderzoek uit bij de National Synchrotron Light Source 2 in het Brookhaven National Laboratory.
"Er zijn veel aspecten van ultrasnelle verschijnselen die we nog maar net beginnen te begrijpen," zei Jangid. "Ik wil graag een aantal van de openstaande vragen aanpakken die transformatieve vooruitgang kunnen opleveren op het gebied van energiezuinige spintronica, gegevensopslag en informatieverwerking."
