"Volevamo studiare la fisica delle interazioni optogenetiche", ha detto Rahul Jangid, che ha guidato l'analisi dei dati per il progetto mentre conseguiva il dottorato. in scienza e ingegneria dei materiali sotto la direzione di Roopali Kukreja, professore associato alla UC Davis. "Cosa succede quando colpisci un dominio magnetico con un impulso laser molto breve?"
Un dominio è una regione all'interno di un magnete che si sposta dal polo nord al polo sud. Questa proprietà viene utilizzata per l'archiviazione dei dati, ad esempio nelle unità disco rigido del computer.
Jangid e i suoi colleghi hanno scoperto che quando un magnete viene colpito da un laser pulsato, le pareti del dominio nello strato ferromagnetico si muovono a circa 66 chilometri al secondo, ovvero circa 100 volte più velocemente del limite di velocità precedentemente ritenuto.
Le pareti dei domini che si muovono a tali velocità potrebbero influenzare notevolmente il modo in cui i dati vengono archiviati ed elaborati, fornendo una memoria più veloce e più stabile e riducendo il consumo di energia dei dispositivi spintronici, come le unità disco rigido, che utilizzano gli spin degli elettroni all'interno di più strati di metalli magnetici per archiviare, elaborare o trasmettere informazioni.
"Nessuno pensa che questi muri possano muoversi così velocemente perché dovrebbero raggiungere i loro limiti", ha detto Jangid. "Sembra assolutamente banale, ma è vero." Sono "banane" a causa del fenomeno della rottura del 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. Tuttavia, questo studio fornisce la prova che i laser possono essere utilizzati per muovere le pareti dei domini a velocità precedentemente sconosciute.
Mentre la maggior parte dei dispositivi personali come laptop e telefoni cellulari utilizzano unità flash più veloci, i data center utilizzano dischi rigidi più economici e più lenti. Tuttavia, ogni volta che un'informazione viene elaborata o capovolta, le unità bruciano molta energia utilizzando un campo magnetico per condurre il calore attraverso le bobine. Se le unità potessero utilizzare impulsi laser sugli strati magnetici, i dispositivi funzionerebbero a tensioni più basse e l’energia richiesta per l’inversione dei bit sarebbe notevolmente ridotta.
Le proiezioni attuali suggeriscono che le TIC rappresenteranno il 21% della domanda energetica mondiale entro il 2030, contribuendo al cambiamento climatico, una scoperta evidenziata da Jangid e coautori in un articolo intitolato "Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation", che è stato pubblicato 19 dicembre sulla rivista Physical Review Letters. La scoperta arriva in un momento in cui la ricerca di tecnologie di risparmio energetico è fondamentale.
A condurre l'esperimento, Jangid e i suoi collaboratori, tra cui ricercatori dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia; l'Università della California, San Diego; l'Università del Colorado, Colorado Springs; e l’Università di Stoccolma, hanno utilizzato il Centro di ricerca multidisciplinare per la radiazione laser a elettroni liberi (MFRF), una sorgente laser a elettroni liberi situata a Trieste, in Italia.
"Il laser a elettroni liberi è una struttura pazzesca", ha detto Jangid. "È un tubo a vuoto lungo 2-un miglio in cui prendi una manciata di elettroni, li acceleri alla velocità della luce e infine li fai ruotare per produrre raggi X così luminosi che, se non stai attento, il tuo Il campione potrebbe essere vaporizzato. Pensate a come concentrare tutta la luce solare che cade sulla Terra su un centesimo: ecco quanto flusso di fotoni abbiamo sul laser a elettroni liberi.
A Fermi, il gruppo ha utilizzato i raggi X per misurare cosa succede quando magneti su scala nanometrica con più strati di cobalto, ferro e nichel vengono eccitati da impulsi al femtosecondo. Un femtosecondo è definito come 10 alla meno quindicesima 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. "Queste sono misurazioni molto piccole, estremamente veloci, ed è difficile capirle."
Jangid sta analizzando i dati e ha scoperto che sono questi impulsi laser ultraveloci che eccitano lo strato ferromagnetico, provocando il movimento delle pareti del dominio. In base alla velocità con cui si muovono queste pareti di dominio, lo studio suggerisce che questelaser ultravelocegli impulsi potrebbero scambiare bit di informazioni memorizzati circa 1,000 volte più velocemente dei metodi basati sul campo magnetico o sulla corrente di spin utilizzati oggi.
La tecnica è tutt’altro che pratica perché i laser attuali consumano molta energia. Tuttavia, Jangid afferma che processi simili a quelli utilizzati dai compact disc per memorizzare le informazioni utilizzando i laser e dai lettori CD per riprodurre le informazioni utilizzando i laser potrebbero funzionare in futuro.
I prossimi passi includono l'ulteriore esplorazione delle proprietà fisiche 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 la guida di Kukreja. Jangid sta ora conducendo ricerche simili presso il National Synchrotron Light Source 2 presso il Brookhaven National Laboratory.
"Ci sono molti aspetti dei fenomeni ultraveloci che stiamo appena iniziando a comprendere", ha detto Jangid. "Sono ansioso di affrontare alcune delle domande in sospeso che potrebbero sbloccare progressi trasformativi nella spintronica a bassa potenza, nell'archiviazione dei dati e nell'elaborazione delle informazioni".
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