Illustration av den snabba atomresponsen av järn-platina-nanopartiklar mot laserljus. Järnatomer visas i rött, platina atomer i blått. En kort blinkning av rött laserljus avmagnetiserar provet (övergång från inriktade pilar till slumpmässig pilorientering). Detta leder till en komprimering av atomstrukturen i en riktning och en expansion i en annan. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory har för första gången sett hur atomer i järnplatina nanopartiklar-ett nästa generations material för magnetiska datalagringsenheter-reagerar extremt snabbt på korta laserblixtar. Att förstå dessa grundläggande rörelser kan potentiellt leda till nya sätt att manipulera och styra sådana enheter med ljus.
Genom att kombinera ögonblicksbilder från två världsledande ultrahöga atomupplösta "kameror" vid SLAC-Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser och en apparat för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED)-visade teamet att laserblixten avmagnetiserade järnet -platinumpartiklar inom mindre än en biljonedel av en sekund, orsakar atomer i materialet att röra sig närmare varandra i en riktning och flytta längre isär i en annan.
Resultaten ger också den första beskrivningen av den mekaniska påfrestningen på atomnivå, känd som magnetostriktion, som förekommer i magnetiska material när magnetiseringen ändras. Fenomenet manifesterar sig på många sätt, inklusive transformatorns elektriska brum. Innan studien, publicerad idag i Naturkommunikation , forskare hade antagit att dessa strukturförändringar sker relativt långsamt. Dock, de nya uppgifterna tyder på att ultrasnabba processer kan spela en viktig roll.
"Tidigare modeller av egenskaperna hos järnplatina nanopartiklar beaktade inte dessa extremt snabba och grundläggande atomrörelser, säger Hermann Dürr, studiens huvudutredare från Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), som drivs gemensamt av SLAC och Stanford. "Även om vi ännu inte förstår alla konsekvenser av dessa processer, att inkludera dem i våra beräkningar kan öppna upp nya vägar för utveckling av framtida datalagringsteknologier."
Bild av järn-platina nanopartiklar tagna med ett svepelektronmikroskop. Upphovsman:Tyler Chase/Stanford/SLAC National Accelerator Laboratory
Flytta gränserna för magnetisk datalagring
Magnetiska lagringsenheter används i stor utsträckning för att spela in information som produceras i praktiskt taget alla områden i vår digitala värld, och de tros förbli avgörande datalagringslösningar under överskådlig framtid. Ställd inför allt större mängder globala datavolymer, hårdvaruingenjörer strävar efter att maximera den densitet som dessa medier kan lagra information med.
Dock, nuvarande teknik närmar sig sina tekniska gränser. Dagens hårddiskar, till exempel, kan nå lagringstätheten på flera hundra miljarder bitar per kvadrattum, och liknande framtida enheter förväntas inte överstiga mycket mer än en biljon bitar per kvadrattum. Ny utveckling krävs för att ta magnetisk datalagring till nästa nivå.
Intensitetsmönster på en detektor skapad av röntgenstrålar (vänster) och elektroner som har passerat genom ett prov av järn-platina nanopartiklar. Röntgendata visar information om provets magnetiska tillstånd, och elektrondata ger detaljer om atomstrukturen. Upphovsman:Alexander Reid/SLAC National Accelerator Laboratory
"Ett mycket lovande tillvägagångssätt som kan ta oss dit är värmeassisterad magnetisk inspelning på hårddiskar med hjälp av nanoserade korn av material som järn-platina, "säger Eric Fullerton, chef för Center for Memory and Recording Research vid University of California, San Diego, och medförfattare till den nya studien. "I denna metod, informationen är kodad med en nanofokuserad laser och ett magnetfält, eller möjligen ensam en laser, som byter magnetisering av nanopartiklarna. Dessa nästa generations enheter, som kan ha mycket större lagringstätheter, testas redan i industrin och kan snart bli kommersiellt tillgängliga."
