Un forte, un breve impulso di luce può registrare dati su uno strato magnetico di granato di ferro ittrio drogato con co-ioni. Lo hanno scoperto i ricercatori della Radboud University nei Paesi Bassi e dell'Università di Bialystok in Polonia. Il nuovo meccanismo supera le alternative esistenti, consentendo la registrazione magnetica di lettura-scrittura più veloce accompagnata da un carico di calore senza precedenti. La ricerca è stata riportata in Natura il 18 gennaio 2017.

Affidabile, la registrazione dei dati economica e rapida sarà cruciale per l'economia del 21° secolo come lo è stato il petrolio per quella del 20esimo secolo. La registrazione magnetica si comporta piuttosto bene in questo senso, ma i data center si surriscaldano a causa del forte aumento della domanda di cloud storage:considera la portata del traffico di Facebook e WhatsApp. È necessaria molta energia per raffreddare i processori dei server. registrazione magnetica assistita dal calore, o HAMR, l'ultima innovazione nella registrazione magnetica, non risolverà questo problema. Anzi, utilizza il calore di un impulso laser per accelerare il processo di registrazione. Per questa ragione, la registrazione magnetica super veloce che non produce calore e non necessita di elettromagneti è il Santo Graal dell'attuale ricerca fondamentale e applicata sul magnetismo.

L'idea esotica funziona

I ricercatori della Radboud University hanno sperimentato modi per utilizzare l'energia di un impulso luminoso per manipolare i magneti per più di un decennio. Il professor Theo Rasing e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro primi risultati in un articolo del 2007 sulla rivista internazionale Scienza .

Il problema con le loro scoperte iniziali era che il meccanismo della registrazione si basava sul riscaldamento indotto dal laser che raggiungeva temperature vicine alla cosiddetta temperatura di Curie, al di sopra del quale l'ordine magnetico è distrutto. La registrazione tramite riscaldamento e parziale distruzione dell'ordine magnetico ha seriamente ostacolato le potenziali applicazioni. Il riscaldamento influisce negativamente sulla stabilità termica di un supporto di registrazione, limita la frequenza di ripetizione dal tempo di raffreddamento, e limita la densità di registrazione a causa della diffusione del calore.

Interazione spin-orbita

Affrontare il problema del riscaldamento richiede un mezzo a basso assorbimento ottico. Per i metalli con molti elettroni liberi, l'assorbimento della luce, e quindi il riscaldamento del materiale, è inevitabile. Significa che per ridurre il riscaldamento, è necessario un materiale dielettrico. Per questo studio, gli scienziati hanno scelto il granato di ferro ittrio (YIG) – uno dei dielettrici magnetici modello nella ricerca fondamentale e applicata. È impossibile registrare le informazioni attraverso la luce su YIG normale. Ma per aumentare la sua sensibilità all'eccitazione ottica, gli scienziati lo hanno drogato con Co-ioni. I co-ioni sono noti per il forte accoppiamento dei momenti magnetici con il movimento orbitale dell'elettrone (la cosiddetta interazione spin-orbita). La luce può modificare efficacemente il movimento orbitale degli elettroni negli ioni e quindi influenzare il magnetismo. Gli esperimenti hanno soddisfatto pienamente le aspettative degli scienziati. Hanno scoperto che nel film di granato co-sostituito, un singolo impulso laser a femtosecondi polarizzato linearmente promuove la commutazione di spin tra stati diversi.

"Cambiando la polarizzazione dell'impulso laser, guidiamo deterministicamente la magnetizzazione netta nel granato:scriviamo 0 e 1 bit magnetici a piacimento, " afferma il fisico Alexey Kimel della Radboud University. "Questo meccanismo supera le alternative esistenti, consentendo l'evento di registrazione di scrittura e lettura magnetica più veloce di sempre, inferiore a venti picosecondi, accompagnato da un carico di calore senza precedenti." Kimel ha avuto problemi a ottenere finanziamenti per questo progetto perché la sua idea era considerata troppo esotica per funzionare. La pubblicazione in Natura dimostra che aveva ragione fin dall'inizio.

Applicabile in data center e super computer

L'uso della luce per l'accensione magnetica su pellicole di granato probabilmente non verrà applicato nei personal computer. "Il divario tecnologico tra la conservazione su metallo e il cristallo di granato è troppo grande, " pensa Alexey Kimel. "Ma potrebbe essere un'opzione interessante per i big data warehouse di Google e Facebook e simili. Un altro possibile utilizzo potrebbe essere la registrazione dei dati a temperature molto basse. L'elettronica superconduttiva e i computer quantistici non dispongono di un sistema di memoria veloce in grado di registrare a temperature inferiori a 10 Kelvin (-263 gradi Celsius). Fino ad ora, questo era un serio ostacolo per i computer superconduttori".