"Vi ønskede at studere fysikken i optogenetiske interaktioner," sagde Rahul Jangid, der ledede dataanalysen for projektet, mens han fik sin ph.d. i materialevidenskab og teknik under ledelse af Roopali Kukreja, en lektor ved UC Davis. "Hvad sker der, når du rammer et magnetisk domæne med en meget kort laserpuls?"
Et domæne er et område inden for en magnet, der vender fra nordpolen til sydpolen. Denne egenskab bruges til datalagring, f.eks. i computerharddiske.
Jangid og hans kolleger fandt ud af, at når en magnet rammes af en pulserende laser, bevæger domænevæggene i det ferromagnetiske lag sig med omkring 66 kilometer i sekundet, hvilket er omkring 100 gange hurtigere end den tidligere troede hastighedsgrænse.
Domænevægge, der bevæger sig med sådanne hastigheder, kan dramatisk påvirke, hvordan data lagres og behandles, hvilket giver hurtigere, mere stabil hukommelse og reducerer energiforbruget af spintronics-enheder, såsom harddiske, der bruger elektronspin i flere lag af magnetiske metaller til at lagre, behandle eller overføre information.
"Ingen tror, at disse vægge kan bevæge sig så hurtigt, fordi de formodes at nå deres grænser," 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 sammen og holder op med at bevæge sig. Denne undersøgelse giver dog bevis for, at lasere kan bruges til at drive domænevægge med hidtil ukendte hastigheder.
Mens de fleste personlige enheder såsom bærbare computere og mobiltelefoner bruger hurtigere flashdrev, bruger datacentre billigere, langsommere harddiske. Men hver gang en smule information behandles eller vendes, forbrænder drevene en masse energi ved at bruge et magnetfelt til at lede varme gennem spolerne. Hvis drev kunne bruge laserimpulser på de magnetiske lag, ville enhederne fungere ved lavere spændinger, og den energi, der kræves til bit-flipping, ville blive stærkt reduceret.
Aktuelle fremskrivninger tyder på, at IKT vil tegne sig for 21 procent af verdens energiefterspørgsel i 2030, hvilket bidrager til klimaændringer, en konstatering fremhævet af Jangid og medforfattere i et papir med titlen "Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation", som blev offentliggjort 19. december i tidsskriftet Physical Review Letters. Opdagelsen kommer på et tidspunkt, hvor jagten på energibesparende teknologier er kritisk.
For at udføre eksperimentet, Jangid og hans samarbejdspartnere, herunder forskere fra National Institute of Science and Technology; University of California, San Diego; University of Colorado, Colorado Springs; og Stockholm Universitet, brugte den tværfaglige forskningsfacilitet for frielektronlaserstråling (MFRF), en laserkilde med fri elektroner placeret i Trieste, Italien.
"Den frie elektronlaser er en skør facilitet," sagde Jangid. "Det er et 2-mile langt vakuumrør, hvor du tager en håndfuld elektroner, accelererer dem til lysets hastighed og til sidst svinger dem rundt for at producere røntgenstråler, der er så klare, at hvis du ikke er forsigtig, Prøven kunne fordampes som at fokusere alt det sollys, der falder på Jorden, på en krone - det er så meget fotonflux, vi har ved fri-elektronlaseren.
Hos Fermi brugte gruppen røntgenstråler til at måle, hvad der sker, når nanoskalamagneter med flere lag af kobolt, jern og nikkel exciteres af femtosekund-impulser. Et femtosekund er defineret som 10 til minus femtendedel af et sekund eller en milliontedel af en milliardtedel af et sekund.
"Der er flere femtosekunder på et sekund, end der er dage i universets alder," sagde Jangid. "Det er meget små, ekstremt hurtige målinger, og det er svært at få hovedet uden om dem."
Jangid er ved at analysere dataene og har fundet ud af, at det er disse ultrahurtige laserimpulser, der exciterer det ferromagnetiske lag, hvilket får domænevæggene til at bevæge sig. Baseret på hvor hurtigt disse domænevægge bevæger sig, tyder undersøgelsen på, at disseultrahurtig laserimpulser kunne skifte lagrede bits af information omkring 1,000 gange hurtigere end det magnetiske felt eller spinstrøm-baserede metoder, der bruges i dag.
Teknikken er langt fra praktisk, fordi nuværende lasere forbruger meget strøm. Jangid siger dog, at processer, der ligner dem, der bruges af kompakte diske til at lagre information ved hjælp af lasere og cd-afspillere til at afspille information ved hjælp af lasere, kunne fungere i fremtiden.
De næste trin omfatter yderligere udforskning af de fysiske egenskaber af mekanismerne, der muliggør ultrahurtige domænevægshastigheder over tidligere kendte grænser, samt billeddannelse af domænevæggens bevægelse. Denne forskning vil fortsætte på UC Davis under Kukrejas ledelse. Jangid udfører nu lignende forskning ved National Synchrotron Light Source 2 ved Brookhaven National Laboratory.
"Der er mange aspekter af ultrahurtige fænomener, som vi lige er begyndt at forstå," sagde Jangid. "Jeg er ivrig efter at tage fat på nogle af de udestående spørgsmål, der kan låse op for transformative fremskridt inden for laveffekts spintronics, datalagring og informationsbehandling."
Læs mere på
