Een ontdekking uit een experiment met magneten en lasers zou een zegen kunnen zijn voor energiezuinige gegevensopslag.

"We wilden de fysica van licht-magneetinteractie bestuderen", zegt Rahul Jangid, die de data-analyse voor het project leidde terwijl hij promoveerde. in materiaalkunde en techniek aan UC Davis onder universitair hoofddocent Roopali Kukreja. "Wat gebeurt er als je een magnetisch domein raakt met zeer korte pulsen laserlicht?"

Domeinen zijn gebieden binnen een magneet die van de noord- naar de zuidpool draaien. Deze eigenschap wordt gebruikt voor gegevensopslag, bijvoorbeeld op de harde schijven van computers.

Jangid en zijn collega's ontdekten dat wanneer een magneet wordt geraakt met een gepulseerde laser, de domeinwanden in de ferromagnetische lagen bewegen met een snelheid van ongeveer 66 km/s, wat ongeveer 100 keer sneller is dan de snelheidslimiet die eerder werd aangenomen.

Domeinmuren die met deze snelheid bewegen, kunnen een drastische invloed hebben op de manier waarop gegevens worden opgeslagen en verwerkt, waardoor een sneller en stabieler geheugen wordt geboden en het energieverbruik wordt verminderd in spintronische apparaten zoals harde schijven die de spin van elektronen in magnetische metalen meerlagen gebruiken om gegevens op te slaan , informatie verwerken of verzenden.

"Niemand dacht dat het mogelijk was om deze muren zo snel te verplaatsen omdat ze hun limiet zouden bereiken", zei Jangid. "Het klinkt absoluut banaal, maar het is waar."

Het zijn 'bananen', vanwege het Walker-instortingsfenomeen, dat zegt dat domeinmuren slechts zo ver kunnen worden geduwd met een bepaalde snelheid voordat ze effectief instorten en niet meer bewegen. Dit onderzoek levert echter bewijs op dat de domeinmuren met voorheen onbekende snelheden kunnen worden aangedreven met behulp van lasers.

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, gebruikt de drive echter een magnetisch veld om warmte door een draadspiraal te geleiden, waardoor veel energie wordt verbrand. Als een drive in plaats daarvan laserpulsen op de magnetische lagen zou kunnen gebruiken, zou het apparaat op een lagere spanning werken en zou het verwerken van bitflips aanzienlijk minder energie vergen.

Volgens de huidige prognoses zal informatie- en communicatietechnologie in 2030 verantwoordelijk zijn voor 21% van de mondiale energievraag, waardoor de klimaatverandering zal verergeren. Deze bevinding, die werd benadrukt in een artikel van Jangid en co-auteurs getiteld "Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" in het tijdschrift Physical Review Letters op 19 december komt op een moment waarop het vinden van energie-efficiënte technologieën van cruciaal belang is.

Als laser en magneet elkaar ontmoeten

Om het experiment uit te voeren, hebben Jangid en zijn medewerkers, waaronder onderzoekers van het National Institute of Science and Technology; UC San Diego; De Universiteit van Colorado, Colorado Springs en de Universiteit van Stockholm maakten gebruik van de Free Electron Laser Radiation for Multidisciplinaire Investigations (FERMI)-faciliteit, een vrije elektronenlaserbron gevestigd in Triëst, Italië.

"Vrije elektronenlasers zijn krankzinnige faciliteiten", zei Jangid. "Het is een 3,2 km lange vacuümbuis, en je neemt een klein aantal elektronen, versnelt ze tot de snelheid van het licht en beweegt ze uiteindelijk heen en weer om röntgenstralen te creëren die zo helder zijn dat als je niet oppast , je monster zou kunnen worden verdampt. Zie het als het nemen van al het zonlicht dat op de aarde valt en het allemaal op een cent concentreren - dat is de hoeveelheid fotonenflux die we hebben bij vrije-elektronenlasers."

Bij FERMI gebruikte de groep röntgenstralen om te meten wat er gebeurt wanneer een magneet op nanoschaal met meerdere lagen kobalt, ijzer en nikkel wordt opgewonden door femtosecondepulsen. Een femtoseconde wordt gedefinieerd als 10 tot de negatieve vijftiende van een seconde, oftewel een miljoenste van een miljardste van een seconde.

"Er zijn meer femtoseconden in één seconde dan er dagen zijn in de leeftijd van het universum", zei Jangid. "Dit zijn extreem kleine, extreem snelle metingen waar je moeilijk omheen kunt."

Jangid, die de gegevens analyseerde, zag dat het deze ultrasnelle laserpulsen waren die de ferromagnetische lagen opwekten die resulteerden in de beweging van de domeinmuren. Gebaseerd op hoe snel deze domeinmuren bewogen, stelt het onderzoek dat deze ultrasnelle laserpulsen een opgeslagen stukje informatie ongeveer 1000 keer sneller kunnen schakelen dan de op magnetische velden of spinstroom gebaseerde methoden die nu worden gebruikt.

De toekomst van ultrasnelle verschijnselen

De technologie is nog lang niet praktisch toepasbaar, aangezien de huidige lasers veel stroom verbruiken. Een proces dat vergelijkbaar is met de manier waarop compact discs (CD's) lasers gebruiken om informatie op te slaan en CD-spelers lasers gebruiken om deze af te spelen, zou in de toekomst mogelijk kunnen werken, zei Jangid.

De volgende stappen omvatten het verder onderzoeken van de fysica van mechanismen die ultrasnelle domeinmuursnelheden mogelijk maken die hoger zijn dan de eerder bekende limieten, evenals het in beeld brengen van de beweging van de domeinmuur.

Dit onderzoek zal worden voortgezet bij UC Davis onder Kukreja. Jangid voert nu soortgelijk onderzoek uit bij National Synchrotron Light Source 2 in het Brookhaven National Laboratory.

"Er zijn zoveel aspecten van het ultrasnelle fenomeen die we net beginnen te begrijpen," zei Jangid. "Ik wil graag de open vragen aanpakken die transformatieve vooruitgang kunnen opleveren op het gebied van spintronica met laag vermogen, gegevensopslag en informatieverwerking."

Meer informatie: Rahul Jangid et al, Extreme domeinmuursnelheden onder ultrasnelle optische excitatie, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256702

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Geleverd door UC Davis