En upptäckt från ett experiment med magneter och lasrar kan vara en välsignelse för energieffektiv datalagring.
"Vi ville studera fysiken för ljus-magnetinteraktion", säger Rahul Jangid, som ledde dataanalysen för projektet samtidigt som han tog sin doktorsexamen. i materialvetenskap och teknik vid UC Davis under docent Roopali Kukreja. "Vad händer när du träffar en magnetisk domän med mycket korta pulser av laserljus?"
Domäner är områden inom en magnet som vänder från nord- till sydpolen. Den här egenskapen används för datalagring, till exempel i datorhårddiskar.
Jangid och hans kollegor fann att när en magnet träffas med en pulsad laser, rör sig domänväggarna i de ferromagnetiska lagren med en hastighet av cirka 66 km/s, vilket är cirka 100 gånger snabbare än den hastighetsgräns som tidigare trotts.
Domänväggar som rör sig med den här hastigheten kan drastiskt påverka hur data lagras och bearbetas, vilket ger ett snabbare, stabilare minne och minskar energiförbrukningen i spintroniska enheter som hårddiskar som använder spinn av elektroner i magnetiska metalliska flerskikt för att lagra , bearbeta eller överföra information.
"Ingen trodde att det var möjligt att flytta de här väggarna så snabbt eftersom de borde nå sin gräns", sa Jangid. "Det låter helt bananas, men det är sant."
Det är "bananer", på grund av fenomenet Walker-nedbrytning, som säger att domänväggar bara kan skjutas så långt med en given hastighet innan de effektivt bryts ner och slutar röra sig. Denna forskning ger dock bevis för att domänväggarna kan drivas med tidigare okända hastigheter med hjälp av laser.
Medan de flesta personliga enheter som bärbara datorer och mobiltelefoner använder snabbare flash-enheter, använder datacenter billigare, långsammare hårddiskar. Men varje gång en bit information bearbetas, eller vänds, använder enheten ett magnetfält för att leda värme genom en trådspole, vilket förbränner mycket energi. Om en enhet istället kunde använda laserpulser på de magnetiska lagren, skulle enheten arbeta med en lägre spänning och bitflip skulle ta betydligt mindre energi att bearbeta.
Aktuella prognoser indikerar att 2030 kommer informations- och kommunikationsteknik att stå för 21 % av världens energibehov, vilket förvärrar klimatförändringarna. Detta fynd, som lyftes fram i en artikel av Jangid och medförfattare med titeln "Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" i tidskriften Physical Review Letters den 19 december, kommer vid en tidpunkt då det är ytterst viktigt att hitta energieffektiva tekniker.
För att genomföra experimentet, Jangid och hans medarbetare, inklusive forskare från National Institute of Science and Technology; UC San Diego; University of Colorado, Colorado Springs och Stockholms universitet använde anläggningen Free Electron Laser Radiation for Multidisciplinary Investigations (FERMI), en fri elektronlaserkälla baserad i Trieste, Italien.
"Frielektronlasrar är galna anläggningar," sa Jangid. "Det är ett 2 mil långt vakuumrör, och du tar ett litet antal elektroner, accelererar dem upp till ljusets hastighet och i slutet vickar dem för att skapa röntgenstrålar så ljusa att om du inte är försiktig , ditt prov kan förångas som att ta allt solljus som faller på jorden och fokusera allt på en slant – det är så mycket fotonflöde vi har vid fria elektronlasrar."
På FERMI använde gruppen röntgenstrålar för att mäta vad som händer när en magnet i nanoskala med flera lager av kobolt, järn och nickel exciteras av femtosekundpulser. En femtosekund definieras som 10 till den negativa femtondels sekunden, eller en miljondels av en miljarddels sekund.
"Det finns fler femtosekunder på en sekund än det finns dagar i universums ålder," sa Jangid. "Detta är extremt små, extremt snabba mätningar som är svåra att svepa runt om."
Jangid, som analyserade data, såg att det var dessa ultrasnabba laserpulser som exciterade de ferromagnetiska skikten som resulterade i rörelsen av domänväggarna. Baserat på hur snabbt dessa domänväggar rörde sig, antyder studien att dessa ultrasnabba laserpulser kan byta en lagrad informationsbit ungefär 1 000 gånger snabbare än det magnetfält eller spinströmbaserade metoder som används nu.
Tekniken är långt ifrån praktiskt tillämpad, eftersom nuvarande lasrar drar mycket ström. En process som liknar hur CD-skivor använder lasrar för att lagra information och CD-spelare använder lasrar för att spela upp den skulle kunna fungera i framtiden, sa Jangid.
Nästa steg inkluderar att ytterligare utforska fysiken hos mekanismer som möjliggör ultrasnabba domänväggshastigheter högre än de tidigare kända gränserna, samt att avbilda domänväggens rörelse.
Denna forskning kommer att fortsätta vid UC Davis under Kukreja. Jangid bedriver nu liknande forskning vid National Synchrotron Light Source 2 vid Brookhaven National Laboratory.
"Det finns så många aspekter av ultrasnabba fenomen som vi precis har börjat förstå," sa Jangid. "Jag är ivrig att ta itu med de öppna frågor som kan låsa upp transformativa framsteg inom lågeffektsspintronik, datalagring och informationsbehandling."
Mer information: Rahul Jangid et al, Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256702
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av UC Davis
