Hur beter sig magnetiska vågor i antiferromagneter och hur sprider de sig? Vilken roll spelar "domänväggar" i processen? Och vad kan detta betyda för framtiden för datalagring? Dessa frågor är i fokus för en nyligen publicerad tidning Fysiska granskningsbrev från en internationell forskargrupp ledd av Konstanz-fysikern Dr Davide Bossini. Teamet rapporterar om magnetfenomen i antiferromagneter som kan induceras av ultrasnabba (femtosekund) laserpulser och med potential att ge materialen nya funktioner för energieffektiva och ultrasnabba datalagringsapplikationer.

Efterfrågan på lagringskapacitet växer snabbare än den tillgängliga infrastrukturen

Den kraftigt ökande användningen av big data-teknik och molnbaserade datatjänster gör att den globala efterfrågan på datalagring ständigt expanderar – tillsammans med behovet av allt snabbare databehandling. På samma gång, den nuvarande tillgängliga tekniken kommer inte att kunna hänga med för alltid. "Uppskattningarna säger att den växande efterfrågan endast kan tillgodoses under en begränsad period på cirka 10 år, om ingen roman, mer effektiv teknik för datalagring och behandling kan utvecklas under tiden, "säger fysikern Dr. Davide Bossini från universitetet i Konstanz och huvudförfattare till studien.

För att förhindra att en datakris inträffar, det räcker inte att fortsätta bygga fler och fler datacenter, som arbetar med den nuvarande toppmoderna tekniken. Framtidens teknologier måste också vara snabbare och mer energieffektiva än traditionell massdatalagring, baserat på magnetiska hårddiskar. En klass av material, antiferromagneter, är en lovande kandidat för att utveckla nästa generations informationsteknik.

Antiferromagnets struktur

Vi är alla bekanta med hushållsmagneter gjorda av järn eller andra ferromagnetiska material. Dessa material har atomer som är magnetiskt alla orienterade i samma riktning - som små nålar på en kompass - så att en magnetisk polarisering (magnetisering) inträffar som påverkar den omgivande miljön. Antifromagneterna, däremot har atomer med alternerande magnetmoment som avbryter varandra. Antiferromagneter har således ingen nettomagnetisering och därför ingen magnetisk påverkan på den omgivande miljön.

På insidan, fastän, dessa antiferromagnetiska kroppar som finns rikligt i naturen är uppdelade i många mindre områden som kallas domäner, där motstående orienterade magnetmoment är inriktade i olika riktningar. Domänerna separeras från varandra genom övergångsområden som kallas "domänväggar".

"Även om dessa övergångsområden är välkända inom antiferromagneter, tills nu, lite var känt om det inflytande domänväggarna har på de magnetiska egenskaperna hos antiferromagneter - särskilt under extremt korta tidsintervaller, "säger Dr Bossini.

Femtosekund magnetiska fenomen

I den aktuella artikeln, forskarna beskriver vad som händer när antiferromagneter (närmare bestämt kristaller av nickeloxid) utsätts för ultrasnabba (femtosekund) laserpulser. Femtosekundskalan är så kort att även ljus bara kan röra sig ett mycket litet avstånd under denna tidsperiod. På en kvadriljondel av en sekund (en femtosekund), ljus färdas bara 0,3 mikrometer – motsvarande diametern på en liten bakterie.

Det internationella teamet av forskare visade att domänväggar spelar en aktiv roll i de dynamiska egenskaperna hos antiferromagnet nickeloxid. Experimenten avslöjade att magnetiska vågor med olika frekvenser kunde induceras, förstärkta och till och med kopplade till varandra över olika domäner – men bara i närvaro av domänväggar. "Våra observationer visar att den allestädes närvarande närvaron av domänväggar i antiferromagneter potentiellt kan användas för att förse dessa material med nya funktioner i den ultrasnabba skalan, "Förklarar Bossini.

Viktiga steg mot effektivare datalagring

Möjligheten att koppla olika magnetiska vågor över domänväggar belyser potentialen att aktivt styra utbredningen av magnetiska vågor i tid och rum samt energiöverföring mellan enskilda vågor på femtosekundskalan. Detta är en förutsättning för att använda dessa material för ultrasnabb lagring och behandling av data.

Sådana antiferromagnetbaserade datalagringstekniker skulle vara flera storleksordningar snabbare och mer energieffektiva än nuvarande. De skulle också kunna lagra och bearbeta en större mängd data. Eftersom materialen inte har någon nettomagnetisering, de skulle också vara mindre sårbara för funktionsfel och extern manipulation. "Framtida teknik baserad på antifromagneter skulle därmed uppfylla alla krav för nästa generations datalagringsteknik. De har också potential att hålla jämna steg med den växande efterfrågan på datalagring och behandlingskapacitet, "avslutar Bossini.