Internetsökningar, Decenniumgamla e-postmeddelanden och on-demand-videoerbjudanden bidrar till att elförbrukningen av amerikanska serverfarmar och datacenter uppgår till mer än 2 procent av landets totala årliga totala mängd.

Dessa datacenter – som driver miljontals enheter och rymmer enorma mängder digital data – använder cirka 70 miljarder kilowattimmar per år av energi. En kWh räcker för att hålla en smartphone laddad i ungefär ett år. Till en genomsnittlig kostnad av 10 cent per kWh, den årliga kostnaden för all den kraften är cirka 7 miljarder dollar.

Nu utvecklas en metod som potentiellt kan minska energiförbrukningen i magnetiska minnesenheter och förbättra deras hastigheter vid Purdue University. Metoden involverar en kombination av spintroniska och fotoniska material, där ultrakorta laserpulser används för att generera intensiva magnetiska fält för att manipulera rotationsorienteringen av magnetiska material.

"Vi har sammanfört dessa två områden för att hitta en lösning på ett årtionden gammalt problem, " sa Ernesto Marinero, professor i materialteknik och elektro- och datorteknik vid Purdues College of Engineering. "Vi ville ta reda på snabbare sätt att byta magnetisering i spintroniska minnesenheter i nanoskala."

Marinero arbetade med Vlad Shalaev och Alexandra Boltasseva, fotonikexperter och professorer vid Purdue's College of Engineering, att utveckla en ny magneto-fotonik-satsning för att använda ljus för att styra magnetiseringsprocesser för en mängd olika applikationer – vilket resulterar i ultrasnabba omkopplingsbara enheter.

"Vi är bland de första att framgångsrikt utveckla en metod för helt optisk omkoppling av on-chip nanomagneter i högdensitetsminnesmoduler, sa Marinero.

Denna framväxande teknik involverar kollektiva elektronvågor, eller plasmoner, utlöses när ljus träffar ett material i nanoskala som en metall som kan upprätthålla elektronvågorna. Dessa plasmoner genererar intensiva, ultrakorta magnetfält i gränssnittet mellan noggrant utvalda optiska och magnetiska material.

Genom att ändra egenskaperna hos det infallande ljuset, riktningen för det resulterande magnetfältet är omvänd, som möjliggör manipulering av den magnetiska orienteringen i det magnetiska materialet, ett kritiskt krav för magnetisk informationslagring. Numeriska simuleringar utförda av Aveek Dutta, en doktorand i teknik, förutsäga stora magnetfältsförbättringar drivna av inducerade plasmonexcitationer.

Purdue-teamets metod innebär att använda optikens kraft, genom funktioner som kallas lokaliserade ytplasmonresonanser, att koppla ljus till nanomagneter och producera snabbare spintroniska enheters växlingshastigheter och potentiell lägre energiförbrukning. Ljuset möjliggör byte av magnetiseringsorienteringen, nyckelprincipen bakom kodning av information digitalt i magnetiska lagringsenheter.

"Vi tror att vår metod i slutändan kan leda till minnesskrivhastigheter som är 1, 000 gånger snabbare än nuvarande, "Sade Marinero. "Ett av våra nyckelområden för framgång är att fortsätta utveckla material som interagerar med magneterna på ett effektivt sätt."