Objevy z magnetických a laserových experimentů by mohly být přínosem pro energeticky efektivní ukládání dat.
"Chtěli jsme studovat fyziku optomagnetických interakcí," řekl Rahul Jangid, který vedl analýzu dat pro projekt a zároveň získal titul Ph.D. v materiálové vědě a inženýrství pod vedením Roopali Kukreja, docenta na UC Davis. "Co se stane, když zasáhnete magnetickou doménu velmi krátkým laserovým pulzem?"
Doména je oblast uvnitř magnetu, která se překlápí ze severního pólu na jižní pól. Tato vlastnost se používá pro ukládání dat, jako jsou pevné disky počítače.
Jangid a jeho kolegové zjistili, že když je magnet zasažen pulzním laserem, stěny domény ve feromagnetické vrstvě se pohybují rychlostí asi 66 kilometrů za sekundu, což je asi 100krát rychleji, než byl dříve uvažovaný rychlostní limit.
Doménové stěny pohybující se takovou rychlostí by mohly dramaticky ovlivnit, jak jsou data ukládána a zpracovávána, poskytují rychlejší a stabilnější paměť a snižují spotřebu energie spintronických zařízení, jako jsou jednotky pevných disků, které k ukládání využívají rotace elektronů ve více vrstvách magnetického kovu, zpracovávat nebo přenášet informace.
"Nikdo si nemyslel, že se tyto zdi mohou pohybovat tak rychle, protože měly dosáhnout svých limitů," řekl Jangid. "Zní to naprosto banánově, ale je to tak." Jsou to „banány“ kvůli fenoménu Walker breakdown, který říká, že doménové stěny mohou být posunuty tak daleko pouze danou rychlostí, než se efektivně rozbijí a přestanou se pohybovat. Tato studie však poskytuje důkaz, že lasery lze použít k pohonu doménových stěn dříve neznámými rychlostmi.
Zatímco většina osobních zařízení, jako jsou notebooky a mobilní telefony, používá rychlejší flash disky, datová centra používají levnější a pomalejší pevné disky. Pokaždé, když se zpracuje nebo překlopí nějaká informace, spálí pohony spoustu energie tím, že pomocí magnetického pole vede teplo skrz cívky. Pokud by pohony mohly využívat laserové pulsy na magnetických vrstvách, zařízení by pracovalo s nižším napětím a energie potřebná pro překlápění bitů by se výrazně snížila.
Současné projekce naznačují, že ICT budou do roku 2030 představovat 21 procent světové poptávky po energii, což přispěje ke změně klimatu, což je zjištění, na které Jangid a spoluautoři upozornili v dokumentu nazvaném „Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation“, který byl zveřejněn. 19. prosince v časopise Physical Review Letters. Objev přichází v době, kdy je kritické hledání technologií pro úsporu energie.
K provedení experimentu Jangid a jeho spolupracovníci, včetně výzkumníků z Národního institutu vědy a technologie; Kalifornská univerzita, San Diego; University of Colorado, University of Colorado Springs a Stockholm University využívaly Multidisciplinary Research Facility for Free Electron Laser Radiation, laserový zdroj s volnými elektrony umístěný v italském Terstu.
"Laser s volnými elektrony je šílené zařízení," řekl Jangid. „Je to 2-kilometrová vakuová trubice, do které vezmete hrst elektronů, urychlíte je na rychlost světla a nakonec jimi rozhoupete, abyste vytvořili rentgenové záření tak jasné, že pokud si nedáte pozor, Vzorek by se mohl odpařit Představte si to jako soustředění veškerého slunečního světla, které dopadá na Zemi na cent – tolik fotonového toku máme u laseru s volnými elektrony.
Ve Fermi skupina použila rentgenové záření k měření toho, co se stane, když jsou nanomagnety s více vrstvami kobaltu, železa a niklu buzeny femtosekundovými pulzy. Femtosekunda je definována jako 10 až mínus patnáctina sekundy nebo jedna miliontina miliardtiny sekundy.
"Ve vteřině je více femtosekund než dnů ve věku vesmíru," řekl Jangid. "Jsou to velmi malá, extrémně rychlá měření a je těžké se v nich orientovat."
Jangid analyzuje data a zjistil, že právě tyto ultrarychlé laserové pulsy excitují feromagnetickou vrstvu a způsobují pohyb doménových stěn. Na základě toho, jak rychle se tyto doménové stěny pohybují, studie naznačuje, že tyto ultrarychlé laserové pulzy by mohly přepínat uložené bity informací asi 1,000krát rychleji než dnes používané metody založené na magnetickém poli nebo spinovém proudu.
Tato technika není ani zdaleka praktická, protože současné lasery spotřebovávají hodně energie. Jangid však říká, že procesy podobné těm, které používají kompaktní disky k ukládání informací pomocí laserů a CD přehrávače k přehrávání informací pomocí laserů, by mohly v budoucnu fungovat.
Další kroky zahrnují další zkoumání fyzikálních vlastností mechanismu, který umožňuje ultrarychlé rychlosti stěny domény nad dříve známými limity, stejně jako zobrazení pohybu stěny domény. Tento výzkum bude pokračovat na UC Davis pod Kukrejovým vedením. Jangid nyní provádí podobný výzkum v National Synchrotron Light Source 2 v Brookhaven National Laboratory.
"Existuje mnoho aspektů ultrarychlých jevů, kterým teprve začínáme rozumět," řekl Jangid. "Chtěl bych se vypořádat s některými z nevyřešených otázek, které by mohly odemknout transformační pokroky v oblasti nízkoenergetické spintroniky, ukládání dat a zpracování informací."
