På vej mod hurtigere og mere effektiv datalagring

Hvordan opfører magnetiske bølger sig i antiferromagneter, og hvordan spredes de? Hvilken rolle spiller "domænevægge" i processen? Og hvad kan det betyde for fremtiden for datalagring? Disse spørgsmål er fokus i en nylig publikation i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve fra et internationalt forskerhold ledet af Konstanz-fysiker Dr. Davide Bossini. Holdet rapporterer om magnetiske fænomener i antiferromagneter, der kan induceres af ultrahurtige (femtosekund) laserimpulser og med potentiale til at udstyre materialerne med nye funktionaliteter til energieffektive og ultrahurtige datalagringsapplikationer.

Efterspørgslen efter lagerkapacitet vokser hurtigere end den tilgængelige infrastruktur

Den voldsomt stigende brug af big data-teknologier og cloud-baserede datatjenester betyder, at den globale efterspørgsel efter datalagring konstant udvides – sammen med behovet for stadig hurtigere databehandling. På samme tid, de aktuelt tilgængelige teknologier vil ikke kunne følge med for evigt. "Estimaterne siger, at den voksende efterspørgsel kun kan opfyldes i en begrænset periode på omkring 10 år, hvis ingen roman, mere effektive teknologier til datalagring og -behandling kan udvikles i mellemtiden, " siger fysiker Dr. Davide Bossini fra University of Konstanz og hovedforfatter af undersøgelsen.

For at forhindre en datakrise i at finde sted, det vil ikke være nok blot at blive ved med at bygge flere og flere datacentre, opererer på det nuværende state-of-the-art. Fremtidens teknologier skal også være hurtigere og mere energieffektive end traditionel massedatalagring, baseret på magnetiske harddiske. En klasse af materialer, antiferromagneter, er en lovende kandidat til at udvikle den næste generation af informationsteknologi.

Strukturen af ​​antiferromagneter

Vi er alle bekendt med husholdningsmagneter lavet af jern eller andre ferromagnetiske materialer. Disse materialer har atomer, der alle magnetisk er orienteret i samme retning - som små nåle på et kompas - så der opstår en magnetisk polarisering (magnetisering), som påvirker det omgivende miljø. Antiferromagneterne, derimod har atomer med vekslende magnetiske momenter, der ophæver hinanden. Antiferromagneter har således ingen nettomagnetisering og derfor ingen magnetisk påvirkning af det omgivende miljø.

På indersiden, selvom, disse antiferromagnetiske legemer, der findes rigeligt i naturen, er opdelt i mange mindre områder kaldet domæner, hvor modsat orienterede magnetiske momenter er justeret i forskellige retninger. Domænerne er adskilt fra hinanden af ​​overgangsområder kendt som "domænevægge".

"Selvom disse overgangsområder er velkendte inden for antiferromagneter, indtil nu, lidt var kendt om den indflydelse domænevæggene har på de magnetiske egenskaber af antiferromagneter - især i ekstremt korte tidsintervaller, " siger Dr. Bossini.

Femtosekund magnetiske fænomener

I den aktuelle artikel, forskerne beskriver, hvad der sker, når antiferromagneter (mere specifikt, krystaller af nikkeloxid) udsættes for ultrahurtige (femtosekund) laserimpulser. Femtosekundskalaen er så kort, at selv lys kun kan bevæge sig en meget lille afstand i denne periode. På en kvadrilliontedel af et sekund (et femtosekund), lys bevæger sig kun 0,3 mikrometer - svarende til diameteren af ​​en lille bakterie.

Det internationale team af forskere viste, at domænevægge spiller en aktiv rolle i de dynamiske egenskaber af antiferromagneten nikkeloxid. Forsøgene viste, at magnetiske bølger med forskellige frekvenser kunne induceres, forstærket og endda koblet med hinanden på tværs af forskellige domæner - men kun i nærværelse af domænevægge. "Vores observationer viser, at den allestedsnærværende tilstedeværelse af domænevægge i antiferromagneter potentielt kan bruges til at udstyre disse materialer med nye funktionaliteter i ultrahurtig skala, " forklarer Bossini.

Vigtige skridt mod mere effektiv datalagring

Evnen til at koble forskellige magnetiske bølger på tværs af domænevægge fremhæver potentialet for aktivt at kontrollere udbredelsen af ​​magnetiske bølger i tid og rum samt energioverførsel mellem individuelle bølger på femtosekund skalaen. Dette er en forudsætning for at bruge disse materialer til ultrahurtig lagring og behandling af data.

Sådanne antiferromagnet-baserede datalagringsteknologier ville være adskillige størrelsesordener hurtigere og mere energieffektive end nuværende. De ville også være i stand til at lagre og behandle en større mængde data. Da materialerne ikke har nogen nettomagnetisering, de ville også være mindre sårbare over for funktionsfejl og ekstern manipulation. "Fremtidige teknologier baseret på antiferromagneter ville således opfylde alle kravene til den næste generation af datalagringsteknologi. De har også potentialet til at holde trit med den stigende efterspørgsel efter datalagring og behandlingskapacitet, " slutter Bossini.