超快激光脉冲可以减少数据存储能源需求

磁铁和激光实验的发现可能有利于节能数据存储。

“我们想研究光磁相互作用的物理原理，”负责该项目数据分析并获得博士学位的拉胡尔·詹吉德 (Rahul Jangid) 说道。加州大学戴维斯分校材料科学与工程专业，师从副教授 Roopali Kukreja。“当你用非常短的激光脉冲击中磁畴时会发生什么?”

磁畴是磁铁内从北极翻转到南极的区域。此属性用于数据存储，例如计算机硬盘驱动器中。

Jangid 和他的同事发现，当用脉冲激光击中磁体时，铁磁层中的磁畴壁以大约 66 公里/秒的速度移动，这比之前认为的速度极限快了约 100 倍。

以这种速度移动的畴壁可能会极大地影响数据的存储和处理方式，从而提供一种更快、更稳定的存储方式，并减少自旋电子设备的能耗，例如使用磁性金属多层内的电子自旋来存储数据的硬盘驱动器、处理或传输信息。

“没有人认为可以如此快地移动这些墙壁，因为它们应该达到极限，”詹吉德说。“这听起来绝对是香蕉，但这是真的。”

这是“香蕉”，因为沃克击穿现象表明，畴壁只能以给定的速度被推远，然后才能有效地击穿并停止移动。然而，这项研究提供的证据表明，可以使用激光以以前未知的速度驱动畴壁。

虽然笔记本电脑和手机等大多数个人设备使用速度更快的闪存驱动器，但数据中心使用更便宜、速度更慢的硬盘驱动器。然而，每次处理或翻转一点信息时，驱动器都会使用磁场通过线圈传导热量，从而消耗大量能量。相反，如果驱动器可以在磁性层上使用激光脉冲，则该设备将以较低的电压运行，并且处理位翻转所需的能量将显着减少。

目前的预测表明，到2030年，信息和通信技术将占世界能源需求的21%，从而加剧气候变化。Jangid 和合著者于 12 月 19 日在《物理评论快报》杂志上发表题为“超快光激励下的极端畴壁速度”的论文中强调了这一发现，而此时寻找节能技术至关重要。

当激光遇上磁铁

为了进行这项实验，Jangid 和他的合作者，包括来自国家科学技术研究所的研究人员;加州大学圣地亚哥分校;科罗拉多大学、科罗拉多斯普林斯大学和斯德哥尔摩大学使用了用于多学科研究的自由电子激光辐射(FERMI 设施)，这是一种位于意大利的里雅斯特的自由电子激光源。

“自由电子激光器是疯狂的设施，”詹吉德说。“这是一个 2 英里长的真空管，你获取少量电子，将它们加速到光速，最后摆动它们以产生如此明亮的 X 射线，如果你不小心的话，你的样本可能会被汽化。可以想象一下，将落在地球上的所有阳光集中到一枚硬币上——这就是我们在自由电子激光器上拥有的光子通量。”

在 FERMI，该小组利用 X 射线来测量当具有多层钴、铁和镍的纳米级磁体被飞秒脉冲激发时会发生什么。飞秒定义为 10 到负 15 秒或十亿分之一秒的百万分之一。

詹吉德说：“一秒中的飞秒比宇宙年龄中的天还要多。” “这些都是非常小、非常快的测量结果，你很难理解。”

分析数据的詹吉德发现，正是这些超快激光脉冲激发了铁磁层，导致了磁畴壁的移动。根据这些畴壁移动的速度，该研究认为这些超快激光脉冲可以比现在使用的基于磁场或自旋电流的方法快大约 1,000 倍地转换存储的信息位。

超快现象的未来

该技术距离实际应用还很远，因为当前的激光器消耗大量功率。然而，Jangid 表示，类似于光盘或 CD 使用激光存储信息以及 CD 播放器使用激光播放信息的过程可能在未来发挥作用。

下一步包括进一步探索使超快畴壁速度高于先前已知极限的机制的物理原理，以及对畴壁运动进行成像。

这项研究将在库克雷贾的领导下在加州大学戴维斯分校继续进行。Jangid 目前正在布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 2 进行类似的研究。

来源: Materials provided by University of California - Davis. Original written by Jessica Heath.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Rahul Jangid, Nanna Zhou Hagström, Meera Madhavi, Kyle Rockwell, Justin M. Shaw, Jeffrey A. Brock, Matteo Pancaldi, Dario De Angelis, Flavio Capotondi, Emanuele Pedersoli, Hans T. Nembach, Mark W. Keller, Stefano Bonetti, Eric E. Fullerton, Ezio Iacocca, Roopali Kukreja, Thomas J. Silva. Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation. Physical Review Letters, 2023; 131 (25) DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.256702