"Vi ønsket å studere fysikken til optogenetiske interaksjoner," sa Rahul Jangid, som ledet dataanalysen for prosjektet mens han fikk sin doktorgrad. i materialvitenskap og ingeniørfag under ledelse av Roopali Kukreja, en førsteamanuensis ved UC Davis. "Hva skjer når du treffer et magnetisk domene med en veldig kort laserpuls?"
Et domene er et område innenfor en magnet som vipper fra nordpolen til sørpolen. Denne egenskapen brukes til datalagring, for eksempel i datamaskinens harddiskstasjoner.
Jangid og kollegene hans fant ut at når en magnet blir truffet av en pulserende laser, beveger domeneveggene i det ferromagnetiske laget seg med omtrent 66 kilometer i sekundet, som er omtrent 100 ganger raskere enn den tidligere antatte fartsgrensen.
Domenevegger som beveger seg med slike hastigheter kan dramatisk påvirke hvordan data lagres og behandles, og gir raskere, mer stabilt minne og reduserer energiforbruket til spintronics-enheter, for eksempel harddisker, som bruker elektronspinn i flere lag av magnetiske metaller til å lagre, behandle eller overføre informasjon.
"Ingen tror disse veggene kan bevege seg så raskt fordi de skal nå sine grenser," sa Jangid. "Det høres helt bananas ut, men det er sant." Det er "bananer" på grunn av Walker-nedbrytningsfenomenet, som sier at domenevegger bare kan skyves så langt med en gitt hastighet før de effektivt brytes ned og slutter å bevege seg. Imidlertid gir denne studien bevis på at lasere kan brukes til å drive domenevegger med tidligere ukjente hastigheter.
Mens de fleste personlige enheter som bærbare datamaskiner og mobiltelefoner bruker raskere flash-stasjoner, bruker datasentre billigere, tregere harddisker. Men hver gang en bit av informasjon blir behandlet eller snudd, brenner stasjonene mye energi ved å bruke et magnetfelt for å lede varme gjennom spolene. Hvis stasjoner kunne bruke laserpulser på de magnetiske lagene, ville enhetene operere med lavere spenninger, og energien som kreves for bit-flipping ville bli sterkt redusert.
Gjeldende anslag antyder at IKT vil stå for 21 prosent av verdens energibehov innen 2030, og bidra til klimaendringer, et funn fremhevet av Jangid og medforfattere i en artikkel med tittelen "Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation", som ble publisert 19. desember i tidsskriftet Physical Review Letters. Oppdagelsen kommer på et tidspunkt da søket etter energisparende teknologier er kritisk.
For å gjennomføre eksperimentet, Jangid og hans samarbeidspartnere, inkludert forskere fra National Institute of Science and Technology; University of California, San Diego; University of Colorado, Colorado Springs; og Stockholms universitet, brukte Multidisciplinary Research Facility for Free-Electron Laser Radiation (MFRF), en frielektronlaserkilde lokalisert i Trieste, Italia.
"Frielektronlaseren er et vanvittig anlegg," sa Jangid. «Det er et 2-mile langt vakuumrør der du tar en håndfull elektroner, akselererer dem til lysets hastighet og til slutt svinger dem rundt for å produsere røntgenstråler så skarpe at hvis du ikke er forsiktig, Prøven kan fordampes som å fokusere alt sollyset som faller på jorden på en krone - det er hvor mye fotonfluks vi har ved frielektronlaseren.
Hos Fermi brukte gruppen røntgenstråler for å måle hva som skjer når nanoskalamagneter med flere lag av kobolt, jern og nikkel blir opphisset av femtosekundpulser. Et femtosekund er definert som 10 til minus femtendedels sekund eller en milliondels milliarddels sekund.
"Det er flere femtosekunder på et sekund enn det er dager i universets alder," sa Jangid. "Dette er veldig små, ekstremt raske målinger, og det er vanskelig å få hodet rundt dem."
Jangid analyserer dataene og har funnet ut at det er disse ultraraske laserpulsene som eksiterer det ferromagnetiske laget, og får domeneveggene til å bevege seg. Basert på hvor raskt disse domeneveggene beveger seg, antyder studien at disseultrarask laserpulser kan bytte lagrede informasjonsbiter omtrent 1,000 ganger raskere enn magnetfeltet eller spinnstrømbaserte metoder som brukes i dag.
Teknikken er langt fra praktisk fordi dagens lasere bruker mye strøm. Jangid sier imidlertid at prosesser som ligner på de som brukes av CD-er for å lagre informasjon ved hjelp av lasere og CD-spillere for å spille av informasjon ved hjelp av lasere, kan fungere i fremtiden.
De neste trinnene inkluderer ytterligere utforskning av de fysiske egenskapene til mekanismene som muliggjør ultraraske domenevegghastigheter over tidligere kjente grenser, samt avbildning av domeneveggens bevegelse. Denne forskningen vil fortsette ved UC Davis under Kukrejas ledelse. Jangid utfører nå lignende forskning ved National Synchrotron Light Source 2 ved Brookhaven National Laboratory.
"Det er mange aspekter ved ultraraske fenomener som vi akkurat begynner å forstå," sa Jangid. "Jeg er ivrig etter å takle noen av de utestående spørsmålene som kan låse opp transformative fremskritt innen laveffekts spintronikk, datalagring og informasjonsbehandling."
Les mer på
