超快激光脉冲可以减少数据存储能量需求

磁铁和激光实验的一项发现可能有利于节能数据存储。

“我们想研究光-磁体相互作用的物理学，”Rahul Jangid说，他在加州大学戴维斯分校的Roopali Kukreja副教授手下获得材料科学和工程博士学位时领导了该项目的数据分析。“当你用极短的激光脉冲击中磁畴时会发生什么?“

磁畴是磁体中从北极翻转到南极的区域。该属性用于数据存储，例如在计算机硬盘驱动器中。

詹吉德和他的同事发现，当磁体被脉冲激光击中时，铁磁层中的磁畴壁以大约66公里/秒的速度移动，这比以前认为的速度极限快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，提供一种更快、更稳定的存储方式，并降低硬盘驱动器等自旋电子设备的能耗。这些设备使用磁性金属多层内的电子自旋来存储、处理或传输信息。

詹吉德说:“没有人认为可以这么快移动这些墙，因为它们会达到极限。”“这听起来简直不可思议，但却是真的。“

这是“香蕉”，因为沃克击穿现象，即磁畴壁在有效击穿并停止移动之前只能以给定的速度被推这么远。然而，这项研究提供了证据表明，可以使用激光以以前未知的速度驱动磁畴壁。

虽然笔记本电脑和手机等大多数个人设备使用更快的闪存驱动器，但数据中心使用更便宜、更慢的硬盘驱动器。然而，每次处理或翻转一点信息时，驱动器都使用磁场通过线圈导热，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，该设备将在较低的电压下工作，处理比特翻转所需的能量将大大减少。

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。詹吉德和合著者在该杂志上发表的题为“超快光学激发下的极限畴壁速度”的论文中强调了这一发现物理评论快报12月19日，正值寻找节能技术至关重要之际。

当激光遇到磁铁

为了进行这项实验，詹吉德和他的合作者，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自由电子激光辐射进行多学科研究，即费米设施，这是一个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，你的样品可能会被蒸发。把它想象成把所有照射在地球上的阳光都集中在一便士上——这就是我们在自由电子激光器上获得的光子通量。”

在费米实验室，该小组利用X射线测量了飞秒脉冲激发多层钴、铁和镍纳米磁体时发生的情况。飞秒的定义是10的负15分之一秒或十亿分之一秒的百万分之一。

詹吉德说:“一秒钟的时间比宇宙时代的天数还多。”“这些都是非常小、非常快的测量结果，很难让你理解。“

詹吉德在分析数据时发现，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。基于这些磁畴壁的移动速度，该研究认为这些超快激光脉冲转换存储信息的速度比现在使用的基于磁场或自旋电流的方法快约1000倍。

超快现象的未来

由于目前的激光消耗大量能量，这项技术还远未投入实际应用。然而，詹吉德说，一种类似于激光唱片(CD)使用激光存储信息和CD播放器使用激光播放信息的方法可能会在未来发挥作用。

接下来的步骤包括进一步探索机制的物理特性，使超快畴壁速度高于先前已知的极限，以及对畴壁运动进行成像。

这项研究将在加州大学戴维斯分校继续进行。詹吉德现在正在布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源2号进行类似的研究。

詹吉德说:“超快现象有很多方面，我们才刚刚开始了解。”“我渴望解决那些可能开启低功耗自旋电子学、数据存储和信息处理领域变革性进展的开放性问题。”

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