Una scoperta derivante da un esperimento con magneti e laser potrebbe essere un vantaggio per l'archiviazione dei dati ad alta efficienza energetica.
"Volevamo studiare la fisica dell'interazione luce-magnete", ha detto Rahul Jangid, che ha guidato l'analisi dei dati per il progetto mentre conseguiva il dottorato. in scienza e ingegneria dei materiali presso l'UC Davis sotto la guida del professore associato Roopali Kukreja. "Cosa succede quando colpisci un dominio magnetico con impulsi di luce laser molto brevi?"
I domini sono aree all'interno di un magnete che si spostano dai poli nord a sud. Questa proprietà viene utilizzata per l'archiviazione dei dati, ad esempio nei dischi rigidi dei computer.
Jangid e i suoi colleghi hanno scoperto che quando un magnete viene colpito da un laser pulsato, le pareti dei domini negli strati ferromagnetici si muovono a una velocità di circa 66 km/s, ovvero circa 100 volte più veloce del limite di velocità precedentemente ritenuto.
I muri di dominio che si muovono a questa velocità potrebbero influenzare drasticamente il modo in cui i dati vengono archiviati ed elaborati, offrendo un mezzo per una memoria più veloce e più stabile e riducendo il consumo di energia nei dispositivi spintronici come le unità disco rigido che utilizzano lo spin degli elettroni all'interno di multistrati metallici magnetici per archiviare , elaborare o trasmettere informazioni.
"Nessuno pensava che fosse possibile spostare questi muri così velocemente perché avrebbero dovuto raggiungere il loro limite", ha detto Jangid. "Sembra assolutamente banale, ma è vero."
Sono "banane", a causa del fenomeno della rottura di Walker, secondo il quale i muri del dominio possono essere spinti solo fino a un certo punto a una determinata velocità prima che effettivamente si rompano e smettano di muoversi. Questa ricerca, tuttavia, fornisce la prova che le pareti del dominio possono essere guidate a velocità precedentemente sconosciute utilizzando i laser.
Mentre la maggior parte dei dispositivi personali come laptop e telefoni cellulari utilizzano unità flash più veloci, i data center utilizzano unità disco rigido più economiche e lente. Tuttavia, ogni volta che un'informazione viene elaborata o capovolta, l'unità utilizza un campo magnetico per condurre il calore attraverso una bobina di filo, bruciando molta energia. Se un'unità potesse invece utilizzare impulsi laser sugli strati magnetici, il dispositivo funzionerebbe a una tensione inferiore e l'elaborazione dei bit flip richiederebbe molta meno energia.
Le proiezioni attuali indicano che entro il 2030 le tecnologie dell’informazione e della comunicazione rappresenteranno il 21% della domanda energetica mondiale, aggravando il cambiamento climatico. Questa scoperta, che è stata evidenziata in un articolo di Jangid e coautori intitolato "Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" sulla rivista Physical Review Letters il 19 dicembre, arriva in un momento in cui trovare tecnologie efficienti dal punto di vista energetico è fondamentale.
A condurre l'esperimento, Jangid e i suoi collaboratori, tra cui ricercatori dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia; UC San Diego; L'Università del Colorado, Colorado Springs e l'Università di Stoccolma hanno utilizzato la struttura FERMI (Free Electron Laser Radiation for Multidisciplinary Investigations), una sorgente laser a elettroni liberi con sede a Trieste, in Italia.
"I laser a elettroni liberi sono strutture pazzesche", ha detto Jangid. "È un tubo a vuoto lungo 2 miglia, e prendi un piccolo numero di elettroni, li acceleri fino alla velocità della luce, e alla fine li muovi per creare raggi X così luminosi, che se non stai attento , il tuo campione potrebbe essere vaporizzato. Immagina di prendere tutta la luce solare che cade sulla Terra e concentrarla su un centesimo:ecco quanto flusso di fotoni abbiamo nei laser a elettroni liberi."
Al FERMI, il gruppo ha utilizzato i raggi X per misurare ciò che accade quando un magnete su scala nanometrica con più strati di cobalto, ferro e nichel viene eccitato da impulsi al femtosecondo. Un femtosecondo è definito come 10 alla quindicesima negativa di secondo, o un milionesimo di miliardesimo di secondo.
"Ci sono più femtosecondi in un secondo che giorni nell'era dell'universo", ha detto Jangid. "Si tratta di misurazioni estremamente piccole ed estremamente veloci, difficili da comprendere."
Jangid, che stava analizzando i dati, vide che erano questi impulsi laser ultraveloci che eccitavano gli strati ferromagnetici a provocare il movimento delle pareti del dominio. In base alla velocità con cui si muovevano le pareti del dominio, lo studio presuppone che questi impulsi laser ultraveloci possano scambiare un bit di informazioni memorizzato circa 1.000 volte più velocemente del campo magnetico o dei metodi basati sulla corrente di rotazione utilizzati ora.
La tecnologia è lungi dall’essere applicata nella pratica, poiché i laser attuali consumano molta energia. Tuttavia, un processo simile al modo in cui i compact disc (CD) utilizzano i laser per memorizzare le informazioni e i lettori CD utilizzano i laser per riprodurle potrebbe potenzialmente funzionare in futuro, ha affermato Jangid.
I prossimi passi includono l'ulteriore esplorazione della fisica dei meccanismi che consentono velocità ultraveloci delle pareti dei domini superiori ai limiti precedentemente noti, nonché l'imaging del movimento delle pareti dei domini.
Questa ricerca continuerà alla UC Davis sotto Kukreja. Jangid sta ora portando avanti una ricerca simile presso il National Synchrotron Light Source 2 presso il Brookhaven National Laboratory.
"Ci sono così tanti aspetti del fenomeno ultraveloce che stiamo appena iniziando a capire", ha detto Jangid. "Sono ansioso di affrontare le domande aperte che potrebbero sbloccare progressi trasformativi nella spintronica a bassa potenza, nell'archiviazione dei dati e nell'elaborazione delle informazioni."
Ulteriori informazioni: Rahul Jangid et al, Velocità estreme delle pareti del dominio sotto eccitazione ottica ultraveloce, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256702
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito da UC Davis
