«Ми хотіли вивчити фізику оптогенетичних взаємодій», — сказав Рахул Джангід, який очолював аналіз даних для проекту під час отримання ступеня доктора філософії. в матеріалознавстві та інженерії під керівництвом Рупалі Кукрежі, доцента Каліфорнійського університету в Девісі. «Що відбувається, коли ви потрапляєте на магнітний домен дуже коротким лазерним імпульсом?»
Домен — це область всередині магніту, яка обертається від північного полюса до південного. Ця властивість використовується для зберігання даних, наприклад, у жорстких дисках комп’ютера.
Джангід та його колеги виявили, що коли магніт потрапляє на імпульсний лазер, доменні стінки у феромагнітному шарі рухаються зі швидкістю приблизно 66 кілометрів на секунду, що приблизно в 100 разів швидше, ніж раніше вважалося обмеження швидкості.
Доменні стіни, що рухаються з такою швидкістю, можуть кардинально вплинути на те, як дані зберігаються й обробляються, забезпечуючи швидшу, стабільнішу пам’ять і зменшуючи енергоспоживання пристроїв спінтроніки, таких як жорсткі диски, які використовують оберти електронів у кількох шарах магнітних металів для зберігання, обробляти або передавати інформацію.
"Ніхто не думає, що ці стіни можуть рухатися так швидко, тому що вони повинні досягти своїх меж", - сказав Джангід. «Це звучить абсолютно бананово, але це правда». Це «банани» через феномен руйнування Уокера, який говорить про те, що доменні стіни можна просунути лише так далеко з заданою швидкістю, перш ніж вони фактично зруйнуються та перестануть рухатися. Однак це дослідження надає докази того, що лазери можна використовувати для керування доменними стінками на раніше невідомих швидкостях.
У той час як більшість персональних пристроїв, таких як ноутбуки та мобільні телефони, використовують швидші флеш-накопичувачі, центри обробки даних використовують дешевші та повільніші жорсткі диски. Однак щоразу, коли частина інформації обробляється або перевертається, накопичувачі спалюють багато енергії, використовуючи магнітне поле для проведення тепла через котушки. Якби приводи могли використовувати лазерні імпульси на магнітних шарах, пристрої працювали б при нижчій напрузі, і енергія, необхідна для перевертання бітів, була б значно зменшена.
Поточні прогнози показують, що до 2030 року на ІКТ припадатиме 21 відсоток світового попиту на енергію, сприяючи зміні клімату. Цей висновок висвітлено Джангідом та співавторами в опублікованій статті під назвою «Надзвичайні швидкості доменної стінки при надшвидкому оптичному збудженні». 19 грудня в журналі Physical Review Letters. Відкриття відбувається в той час, коли пошук енергозберігаючих технологій є критичним.
Для проведення експерименту Джангід і його співробітники, включаючи дослідників з Національного інституту науки і технологій; Каліфорнійський університет, Сан-Дієго; Університет Колорадо, Колорадо-Спрінгс; і Стокгольмського університету використовували Багатопрофільний дослідницький центр для лазерного випромінювання вільних електронів (MFRF), лазерне джерело вільних електронів, розташоване в Трієсті, Італія.
«Лазер на вільних електронах — божевільна установка», — сказав Джангід. «Це 2-вакуумна трубка довжиною в милю, у яку ви берете кілька електронів, розганяєте їх до швидкості світла й, нарешті, розгойдуєте, щоб випромінювати настільки яскраве рентгенівське випромінювання, що якщо ви не будете обережні, Зразок може випаровуватися. Подумайте про те, що все сонячне світло, яке падає на Землю, фокусується на пенні - ось який потік фотонів ми маємо в лазері на вільних електронах.
У Fermi група використовувала рентгенівські промені, щоб виміряти, що відбувається, коли нанорозмірні магніти з кількома шарами кобальту, заліза та нікелю збуджуються фемтосекундними імпульсами. Фемтосекунда визначається як 10 до мінус п’ятнадцятої секунди або одна мільйонна мільярдна секунди.
«У секунді більше фемтосекунд, ніж днів у віці Всесвіту», — сказав Джангід. «Це дуже маленькі, надзвичайно швидкі вимірювання, і важко в них розібратися».
Джангід аналізує дані та виявив, що саме ці надшвидкі лазерні імпульси збуджують феромагнітний шар, змушуючи доменні стінки рухатися. Виходячи з того, наскільки швидко рухаються ці доменні стіни, дослідження припускає, що вонинадшвидкий лазерімпульси можуть перемикати збережені біти інформації приблизно в 1,000 рази швидше, ніж магнітне поле або методи на основі спінового струму, які використовуються сьогодні.
Техніка далека від практичної, оскільки сучасні лазери споживають багато енергії. Однак Джангід каже, що процеси, подібні до тих, що використовуються на компакт-дисках для зберігання інформації за допомогою лазерів і програвачів компакт-дисків для відтворення інформації за допомогою лазерів, можуть працювати в майбутньому.
Наступні кроки включають подальше вивчення фізичних властивостей механізмів, які забезпечують надшвидку швидкість доменної стінки вище раніше відомих обмежень, а також зображення руху доменної стінки. Це дослідження продовжиться в Каліфорнійському університеті в Девісі під керівництвом Кукреї. Джангід зараз проводить аналогічні дослідження в National Synchrotron Light Source 2 у Брукхейвенській національній лабораторії.
"Є багато аспектів надшвидких явищ, які ми тільки починаємо розуміти", - сказав Джангід. «Мені дуже хочеться розглянути деякі невирішені питання, які могли б розблокувати трансформаційні досягнення в спінтроніці з низьким енергоспоживанням, зберіганні даних і обробці інформації».
Читайте більше на
