"Chceli sme študovať fyziku optogenetických interakcií," povedal Rahul Jangid, ktorý viedol analýzu údajov pre projekt a zároveň získal titul Ph.D. v materiálovej vede a inžinierstve pod vedením Roopali Kukreja, docenta na UC Davis. "Čo sa stane, keď zasiahnete magnetickú doménu veľmi krátkym laserovým impulzom?"
Doména je oblasť v magnete, ktorá sa preklápa zo severného pólu na južný pól. Táto vlastnosť sa používa na ukladanie údajov, napríklad na pevné disky počítača.
Jangid a jeho kolegovia zistili, že keď je magnet zasiahnutý pulzným laserom, steny domény vo feromagnetickej vrstve sa pohybujú rýchlosťou asi 66 kilometrov za sekundu, čo je asi 100-krát rýchlejšie, ako sa pôvodne predpokladalo.
Doménové steny pohybujúce sa takými rýchlosťami by mohli dramaticky ovplyvniť spôsob ukladania a spracovania údajov, poskytovať rýchlejšiu a stabilnejšiu pamäť a znižovať spotrebu energie spintronických zariadení, ako sú pevné disky, ktoré na ukladanie využívajú rotácie elektrónov vo viacerých vrstvách magnetických kovov, spracovávať alebo prenášať informácie.
"Nikto si nemyslí, že tieto steny sa môžu pohybovať tak rýchlo, pretože sa predpokladá, že dosiahnu svoje limity," povedal Jangid. "Znie to úplne banánovo, ale je to tak." Ide o „banány“ kvôli fenoménu Walker breakdown, ktorý hovorí, že doménové steny môžu byť posunuté len tak ďaleko pri danej rýchlosti, kým sa efektívne rozbijú a prestanú sa pohybovať. Táto štúdia však poskytuje dôkaz, že lasery možno použiť na riadenie doménových stien pri predtým neznámych rýchlostiach.
Zatiaľ čo väčšina osobných zariadení, ako sú notebooky a mobilné telefóny, používa rýchlejšie flash disky, dátové centrá používajú lacnejšie a pomalšie pevné disky. Vždy, keď sa spracuje alebo preklopí časť informácie, pohony spália veľa energie pomocou magnetického poľa na vedenie tepla cez cievky. Ak by pohony mohli využívať laserové impulzy na magnetických vrstvách, zariadenia by fungovali pri nižších napätiach a energia potrebná na preklápanie bitov by sa výrazne znížila.
Súčasné prognózy naznačujú, že IKT budú do roku 2030 predstavovať 21 percent svetového dopytu po energii, čo prispeje ku klimatickým zmenám, čo je zistenie, ktoré zdôraznil Jangid a spoluautori v článku s názvom „Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation“, ktorý bol publikovaný. 19. decembra v časopise Physical Review Letters. Objav prichádza v čase, keď je hľadanie technológií na úsporu energie kritické.
Na vykonanie experimentu Jangid a jeho spolupracovníci vrátane výskumníkov z Národného inštitútu vedy a techniky; Kalifornská univerzita, San Diego; University of Colorado, Colorado Springs; a Štokholmská univerzita využili Multidisciplinárne výskumné zariadenie pre laserové žiarenie s voľnými elektrónmi (MFRF), laserový zdroj s voľnými elektrónmi, ktorý sa nachádza v Terste v Taliansku.
"Lasér s voľnými elektrónmi je šialené zariadenie," povedal Jangid. „Je to 2-kilometrová vákuová trubica, do ktorej vezmete hrsť elektrónov, zrýchlite ich na rýchlosť svetla a nakoniec s nimi otočíte, aby vytvorili röntgenové lúče také jasné, že ak si nedáte pozor, Vzorka by sa mohla odpariť ako sústredenie všetkého slnečného svetla, ktoré dopadá na Zem, na cent - toľko toku fotónov máme v laseri s voľnými elektrónmi.
Vo Fermi skupina použila röntgenové lúče na meranie toho, čo sa stane, keď sú nanorozmerové magnety s viacerými vrstvami kobaltu, železa a niklu excitované femtosekundovými impulzmi. Femtosekunda je definovaná ako 10 až mínus pätnástina sekundy alebo jedna milióntina miliardtiny sekundy.
"Za sekundu je viac femtosekúnd ako dní vo veku vesmíru," povedal Jangid. "Sú to veľmi malé, extrémne rýchle merania a je ťažké sa v nich orientovať."
Jangid analyzuje údaje a zistil, že práve tieto ultrarýchle laserové impulzy vzrušujú feromagnetickú vrstvu a spôsobujú pohyb doménových stien. Na základe toho, ako rýchlo sa tieto doménové steny pohybujú, štúdia naznačuje, že tietoultrarýchly laserimpulzy by mohli prepínať uložené bity informácií asi 1,000-krát rýchlejšie ako dnes používané metódy založené na magnetickom poli alebo spinovom prúde.
Táto technika nie je ani zďaleka praktická, pretože súčasné lasery spotrebúvajú veľa energie. Jangid však hovorí, že procesy podobné tým, ktoré používajú kompaktné disky na ukladanie informácií pomocou laserov a CD prehrávače na prehrávanie informácií pomocou laserov, by mohli v budúcnosti fungovať.
Ďalšie kroky zahŕňajú ďalšie skúmanie fyzikálnych vlastností mechanizmov, ktoré umožňujú ultrarýchle rýchlosti steny domény nad predtým známymi limitmi, ako aj zobrazovanie pohybu steny domény. Tento výskum bude pokračovať na UC Davis pod vedením Kukreja. Jangid teraz vykonáva podobný výskum v National Synchrotron Light Source 2 v Brookhaven National Laboratory.
"Existuje mnoho aspektov ultrarýchlych javov, ktorým práve začíname rozumieť," povedal Jangid. "Teším sa na riešenie niektorých nevyriešených otázok, ktoré by mohli odomknúť transformačné pokroky v nízkoenergetickej spintronike, ukladaní údajov a spracovaní informácií."
Čítajte viac na
