Сверхбыстрые лазерные импульсы могут снизить потребность в энергии для хранения данных

Прочитано: 151 раз(а)


Открытие, полученное в результате эксперимента с магнитами и лазерами, может стать благом для энергоэффективного хранения данных.

«Мы хотели изучить физику взаимодействия света и магнита», — сказал Рахул Джангид, который руководил анализом данных для проекта, когда получил докторскую степень. Кандидат наук в области материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Дэвисе под руководством доцента Рупали Кукрея. «Что происходит, когда вы поражаете магнитный домен очень короткими импульсами лазерного света?»

Домены — это области внутри магнита, которые переворачиваются с северного полюса на южный. Это свойство используется для хранения данных, например, на жестких дисках компьютеров.

Джангид и его коллеги обнаружили, что при воздействии на магнит импульсного лазера доменные границы в ферромагнитных слоях движутся со скоростью примерно 66 км/с, что примерно в 100 раз быстрее, чем считалось ранее предельная скорость.

Доменные стены, движущиеся с такой скоростью, могут радикально повлиять на способ хранения и обработки данных, предлагая средства более быстрой и стабильной памяти и снижая потребление энергии в устройствах спинтроники, таких как жесткие диски , которые используют вращение электронов внутри магнитных металлических многослойных слоев для хранения. , обрабатывать или передавать информацию.

«Никто не думал, что эти стены можно передвигать так быстро, потому что они должны достичь своего предела», — сказал Джангид. «Это звучит совершенно абсурдно, но это правда».

Это «бананы» из-за явления разрушения Уокера, которое гласит, что доменные границы можно сдвинуть только до определенной скорости с заданной скоростью, прежде чем они эффективно разрушатся и перестанут двигаться. Однако это исследование свидетельствует о том, что доменные границы можно приводить в движение с ранее неизвестными скоростями с помощью лазеров.

В то время как большинство персональных устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, используют более быстрые флэш-накопители, в центрах обработки данных используются более дешевые и медленные жесткие диски. Однако каждый раз, когда часть информации обрабатывается или переворачивается, привод использует магнитное поле для проведения тепла через катушку провода, сжигая много энергии. Если бы вместо этого привод мог использовать лазерные импульсы на магнитных слоях, устройство работало бы при более низком напряжении, и для обработки битовых переворотов требовалось бы значительно меньше энергии.

Текущие прогнозы показывают, что к 2030 году информационные и коммуникационные технологии будут составлять 21% мирового спроса на энергию, что усугубит изменение климата. Это открытие, которое было освещено в статье Джангида и соавторов под названием «Экстремальные скорости доменной стенки при сверхбыстром оптическом возбуждении» в журнале Physical Review Letters от 19 декабря, происходит в то время, когда поиск энергоэффективных технологий имеет первостепенное значение.

Когда лазер встречает магнит

Для проведения эксперимента Джангид и его сотрудники, в том числе исследователи из Национального института науки и технологий; Калифорнийский университет в Сан-Диего; Университеты Колорадо, Колорадо-Спрингс и Стокгольмский университет использовали установку «Лазерное излучение свободных электронов для многопрофильных исследований» (FERMI), источник лазера на свободных электронах, расположенный в Триесте, Италия.

«Лазеры на свободных электронах — это безумие», — сказал Джангид. «Это вакуумная трубка длиной 2 мили, и вы берете небольшое количество электронов, ускоряете их до скорости света и на конце раскачиваете их, создавая настолько яркие рентгеновские лучи, что, если вы не будете осторожны , ваш образец может испариться. Представьте себе, что вы берете весь солнечный свет, падающий на Землю, и фокусируете его на монетке — именно столько потока фотонов мы имеем в лазерах на свободных электронах».

В FERMI группа использовала рентгеновские лучи для измерения того, что происходит, когда наноразмерный магнит с несколькими слоями кобальта, железа и никеля возбуждается фемтосекундными импульсами. Фемтосекунда определяется как число от 10 до минус пятнадцатой секунды или одна миллионная одной миллиардной доли секунды.

«В одной секунде больше фемтосекунд, чем дней в возрасте Вселенной», — сказал Джангид. «Это чрезвычайно маленькие и чрезвычайно быстрые измерения, которые трудно уловить».

Джангид, анализировавший данные, увидел, что именно эти сверхбыстрые лазерные импульсы, возбуждающие ферромагнитные слои, приводят к движению доменных границ. Основываясь на том, как быстро двигались доменные границы, исследование утверждает, что эти сверхбыстрые лазерные импульсы могут переключать хранимый бит информации примерно в 1000 раз быстрее, чем методы, основанные на магнитном поле или спиновом токе, используемые сейчас.

Будущее сверхбыстрых явлений

Технология далека от практического применения, поскольку современные лазеры потребляют много энергии. Однако процесс, аналогичный тому, как компакт-диски (CD) используют лазеры для хранения информации, а проигрыватели компакт-дисков используют лазеры для ее воспроизведения, потенциально может работать в будущем, сказал Джангид.

Следующие шаги включают дальнейшее изучение физики механизмов, которые обеспечивают сверхбыстрые скорости доменных стенок, превышающие ранее известные пределы, а также визуализацию движения доменных стенок.

Это исследование будет продолжено в Калифорнийском университете в Дэвисе под руководством Кукреи. Джангид сейчас проводит аналогичные исследования на Национальном источнике синхротронного света 2 в Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Существует так много аспектов сверхбыстрого феномена, которые мы только начинаем понимать», — сказал Джангид. «Я с нетерпением жду открытых вопросов, которые могут открыть революционные достижения в области маломощной спинтроники, хранения данных и обработки информации».

Сверхбыстрые лазерные импульсы могут снизить потребность в энергии для хранения данных



Новости партнеров