Ultrahurtige laserimpulser kan mindske behovet for datalagringsenergi

En opdagelse fra et eksperiment med magneter og lasere kunne være en velsignelse for energieffektiv datalagring.

"Vi ønskede at studere fysikken i lys-magnet-interaktion," sagde Rahul Jangid, der ledede dataanalysen for projektet, mens han fik sin Ph.D. i materialevidenskab og teknik ved UC Davis under lektor Roopali Kukreja. "Hvad sker der, når du rammer et magnetisk domæne med meget korte laserlysimpulser?"

Domæner er områder inden for en magnet, der vender fra nord til sydpol. Denne egenskab bruges til datalagring, for eksempel på computerharddiske.

Jangid og hans kolleger fandt ud af, at når en magnet rammes med en pulserende laser, bevæger domænevæggene i de ferromagnetiske lag sig med en hastighed på cirka 66 km/s, hvilket er cirka 100 gange hurtigere end den hastighedsgrænse, der tidligere var antaget.

Domænevægge, der bevæger sig med denne hastighed, kan drastisk påvirke den måde, data lagres og behandles på, hvilket giver mulighed for hurtigere, mere stabil hukommelse og reducerer energiforbruget i spintroniske enheder, såsom harddiske, der bruger spin af elektroner i magnetiske metalliske flerlag til at lagre , behandle eller overføre information.

"Ingen troede, det var muligt at flytte disse vægge så hurtigt, fordi de skulle nå deres grænse," sagde Jangid. "Det lyder absolut bananas, men det er sandt."

Det er "bananer", på grund af Walker-nedbrudsfænomenet, som siger, at domænevægge kun kan skubbes så langt med en given hastighed, før de effektivt bryder ned og holder op med at bevæge sig. Denne forskning viser imidlertid, at domænevæggene kan drives med hidtil ukendte hastigheder ved hjælp af lasere.

Mens de fleste personlige enheder som bærbare computere og mobiltelefoner bruger hurtigere flashdrev, bruger datacentre billigere, langsommere harddiske. Men hver gang en smule information behandles eller vendes, bruger drevet et magnetfelt til at lede varme gennem en ledningsspole, hvilket forbrænder en masse energi. Hvis et drev i stedet kunne bruge laserimpulser på de magnetiske lag, ville enheden fungere ved en lavere spænding, og bitflip ville tage betydeligt mindre energi at behandle.

Aktuelle fremskrivninger indikerer, at informations- og kommunikationsteknologi i 2030 vil stå for 21 % af verdens energibehov, hvilket forværrer klimaændringerne. Denne konstatering, som blev fremhævet i et papir af Jangid og medforfattere med titlen "Ekstreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" i tidsskriftet Physical Review Letters den 19. december, kommer på et tidspunkt, hvor det er altafgørende at finde energieffektive teknologier.

Når laser møder magnet

For at udføre eksperimentet, Jangid og hans samarbejdspartnere, herunder forskere fra National Institute of Science and Technology; UC San Diego; University of Colorado, Colorado Springs og Stockholm University brugte faciliteten Free Electron Laser Radiation for Multidisciplinary Investigations (FERMI), en fri elektronlaserkilde baseret i Trieste, Italien.

"Fri elektronlasere er sindssyge faciliteter," sagde Jangid. "Det er et 2-mil langt vakuumrør, og du tager et lille antal elektroner, accelererer dem op til lysets hastighed og vrikker dem til sidst for at skabe røntgenstråler, der er så klare, at hvis du ikke er forsigtig , kan din prøve fordampes som at tage alt det sollys, der falder på Jorden og fokusere det hele på en krone - det er så meget fotonflux, vi har ved frie elektronlasere."

Hos FERMI brugte gruppen røntgenstråler til at måle, hvad der sker, når en magnet i nanoskala med flere lag kobolt, jern og nikkel exciteres af femtosekund-impulser. Et femtosekund er defineret som 10 til den negative femtendedel af et sekund eller en milliontedel af en milliarddel af et sekund.

"Der er flere femtosekunder på et sekund, end der er dage i universets alder," sagde Jangid. "Dette er ekstremt små, ekstremt hurtige målinger, som er svære at vikle dit hoved omkring."

Jangid, som analyserede dataene, så, at det var disse ultrahurtige laserimpulser, der ophidsede de ferromagnetiske lag, der resulterede i domænevæggenes bevægelse. Baseret på hvor hurtigt disse domænevægge bevægede sig, antyder undersøgelsen, at disse ultrahurtige laserimpulser kan skifte en lagret informationsbit cirka 1.000 gange hurtigere end det magnetiske felt eller de spinstrømbaserede metoder, der bruges nu.

Fremtiden for ultrahurtige fænomener

Teknologien er langt fra praktisk anvendt, da nuværende lasere forbruger meget strøm. Men en proces, der ligner den måde, CD'er (cd'er) bruger lasere til at gemme information på, og cd-afspillere bruger lasere til at afspille den, kunne potentielt fungere i fremtiden, sagde Jangid.

De næste trin omfatter yderligere udforskning af fysikken i mekanismer, der muliggør ultrahurtige domænevægshastigheder højere end de tidligere kendte grænser, samt billeddannelse af domænevæggens bevægelse.

Denne forskning vil fortsætte på UC Davis under Kukreja. Jangid forfølger nu lignende forskning ved National Synchrotron Light Source 2 ved Brookhaven National Laboratory.

"Der er så mange aspekter af ultrahurtigt fænomen, som vi lige er begyndt at forstå," sagde Jangid. "Jeg er ivrig efter at tackle de åbne spørgsmål, der kan låse op for transformative fremskridt inden for laveffektspintronik, datalagring og informationsbehandling."

Flere oplysninger: Rahul Jangid et al., Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256702

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af UC Davis