Entdeckungen aus Magnet- und Laserexperimenten könnten ein Segen für die energieeffiziente Datenspeicherung sein.
„Wir wollten die Physik optomagnetischer Wechselwirkungen untersuchen“, sagte Rahul Jangid, der während seiner Doktorarbeit die Datenanalyse für das Projekt leitete. in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen unter der Leitung von Roopali Kukreja, einem außerordentlichen Professor an der UC Davis. „Was passiert, wenn man mit einem sehr kurzen Laserpuls auf eine magnetische Domäne trifft?“
Eine Domäne ist ein Bereich innerhalb eines Magneten, der vom Nordpol zum Südpol wechselt. Diese Eigenschaft wird zur Datenspeicherung verwendet, beispielsweise in Computer-Festplattenlaufwerken.
Jangid und seine Kollegen fanden heraus, dass sich die Domänenwände in der ferromagnetischen Schicht mit etwa 66 Kilometern pro Sekunde bewegen, wenn ein Magnet von einem gepulsten Laser getroffen wird, was etwa 100-mal schneller ist als die bisher angenommene Geschwindigkeitsbegrenzung.
Domänenwände, die sich mit solchen Geschwindigkeiten bewegen, könnten die Art und Weise, wie Daten gespeichert und verarbeitet werden, dramatisch beeinflussen, einen schnelleren und stabileren Speicher bereitstellen und den Energieverbrauch von Spintronikgeräten wie Festplattenlaufwerken senken, die Elektronenspins in mehreren Schichten magnetischen Metalls zum Speichern nutzen. Informationen verarbeiten oder übermitteln.
„Niemand hätte gedacht, dass sich diese Mauern so schnell bewegen könnten, weil sie eigentlich an ihre Grenzen stoßen würden“, sagte Jangid. „Es klingt absolut banal, aber es ist wahr.“ Es handelt sich um „Bananen“ wegen des Walker-Zusammenbruchs-Phänomens, das besagt, dass Domänenwände bei einer bestimmten Geschwindigkeit nur so weit geschoben werden können, bevor sie tatsächlich zusammenbrechen und sich nicht mehr bewegen. Diese Studie liefert jedoch Hinweise darauf, dass Laser verwendet werden können, um Domänenwände mit bisher unbekannten Geschwindigkeiten anzutreiben.
Während die meisten persönlichen Geräte wie Laptops und Mobiltelefone schnellere Flash-Laufwerke verwenden, nutzen Rechenzentren günstigere, langsamere Festplatten. Allerdings verbrauchen die Laufwerke jedes Mal, wenn eine kleine Information verarbeitet oder umgedreht wird, eine Menge Energie, indem sie ein Magnetfeld nutzen, um Wärme durch die Spulen zu leiten. Wenn Antriebe Laserimpulse auf den magnetischen Schichten verwenden könnten, würden die Geräte mit niedrigeren Spannungen arbeiten und die für das Bit-Flipping erforderliche Energie würde erheblich reduziert werden.
Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass IKT bis 2030 21 Prozent des weltweiten Energiebedarfs ausmachen und zum Klimawandel beitragen werden, ein Ergebnis, das Jangid und Co-Autoren in einem veröffentlichten Artikel mit dem Titel „Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation“ hervorgehoben haben 19. Dezember in der Zeitschrift Physical Review Letters. Die Entdeckung erfolgt zu einem Zeitpunkt, an dem die Suche nach energiesparenden Technologien von entscheidender Bedeutung ist.
Um das Experiment durchzuführen, arbeiteten Jangid und seine Mitarbeiter, darunter Forscher des National Institute of Science and Technology; die University of California, San Diego; Die University of Colorado, die University of Colorado Springs und die Universität Stockholm nutzten die Multidisciplinary Research Facility for Free Electron Laser Radiation, eine Freie-Elektronen-Laserquelle in Triest, Italien.
„Der Freie-Elektronen-Laser ist eine verrückte Einrichtung“, sagte Jangid. „Es ist eine 2-Meilen lange Vakuumröhre, in der man eine Handvoll Elektronen aufnimmt, sie auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und sie schließlich hin und her schwingt, um Röntgenstrahlen zu erzeugen, die so hell sind, dass man, wenn man nicht aufpasst, … Die Probe könnte verdampft werden. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie das gesamte Sonnenlicht, das auf die Erde fällt, auf einen Penny konzentrieren – so viel Photonenfluss haben wir beim Freie-Elektronen-Laser.
Bei Fermi nutzte die Gruppe Röntgenstrahlen, um zu messen, was passiert, wenn nanoskalige Magnete mit mehreren Schichten aus Kobalt, Eisen und Nickel durch Femtosekundenpulse angeregt werden. Eine Femtosekunde ist definiert als 10 minus fünfzehntel Sekunden oder ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde.
„Eine Sekunde hat mehr Femtosekunden als Tage im Zeitalter des Universums“, sagte Jangid. „Das sind sehr kleine, extrem schnelle Messungen, und es ist schwer, sie zu verstehen.“
Jangid analysiert die Daten und hat herausgefunden, dass es diese ultraschnellen Laserpulse sind, die die ferromagnetische Schicht anregen und so dazu führen, dass sich die Domänenwände bewegen. Basierend auf der Geschwindigkeit, mit der sich diese Domänenwände bewegen, legt die Studie nahe, dass diese ultraschnellen Laserpulse gespeicherte Informationsbits etwa 1,{1}-mal schneller umschalten könnten als die heute verwendeten Methoden auf Magnetfeld- oder Spinstrombasis.
Die Technik ist alles andere als praktikabel, da aktuelle Laser viel Strom verbrauchen. Jangid sagt jedoch, dass in Zukunft ähnliche Prozesse funktionieren könnten, wie sie bei CDs zum Speichern von Informationen mithilfe von Lasern und bei CD-Playern zum Abspielen von Informationen mithilfe von Lasern verwendet werden.
Zu den nächsten Schritten gehören die weitere Erforschung der physikalischen Eigenschaften des Mechanismus, der ultraschnelle Domänenwandgeschwindigkeiten über bisher bekannte Grenzen ermöglicht, sowie die Abbildung der Domänenwandbewegung. Diese Forschung wird an der UC Davis unter der Leitung von Kukreja fortgesetzt. Jangid führt derzeit ähnliche Forschungen an der National Synchrotron Light Source 2 im Brookhaven National Laboratory durch.
„Es gibt viele Aspekte ultraschneller Phänomene, die wir gerade erst zu verstehen beginnen“, sagte Jangid. „Ich bin gespannt darauf, einige der offenen Fragen anzugehen, die transformative Fortschritte in den Bereichen Low-Power-Spintronik, Datenspeicherung und Informationsverarbeitung ermöglichen könnten.“
