Un descubrimiento de un experimento con imanes y láseres podría ser una gran ayuda para el almacenamiento de datos energéticamente eficiente.
"Queríamos estudiar la física de la interacción luz-imán", dijo Rahul Jangid, quien dirigió el análisis de datos para el proyecto mientras obtenía su doctorado. en ciencia e ingeniería de materiales en UC Davis con el profesor asociado Roopali Kukreja. "¿Qué sucede cuando golpeas un dominio magnético con pulsos muy cortos de luz láser?"
Los dominios son áreas dentro de un imán que giran de los polos norte a sur. Esta propiedad se utiliza para el almacenamiento de datos, por ejemplo en discos duros de computadoras.
Jangid y sus colegas descubrieron que cuando un imán es golpeado con un láser pulsado, las paredes del dominio en las capas ferromagnéticas se mueven a una velocidad de aproximadamente 66 km/s, que es aproximadamente 100 veces más rápido que el límite de velocidad que se pensaba anteriormente.
Las paredes de dominio que se mueven a esta velocidad podrían afectar drásticamente la forma en que se almacenan y procesan los datos, ofreciendo un medio de memoria más rápida y estable y reduciendo el consumo de energía en dispositivos espintrónicos como unidades de disco duro que utilizan el giro de electrones dentro de multicapas metálicas magnéticas para almacenar. , procesar o transmitir información.
"Nadie pensó que fuera posible mover estos muros tan rápido porque debían alcanzar su límite", dijo Jangid. "Suena absolutamente loco, pero es verdad."
Son "plátanos", debido al fenómeno de ruptura de Walker, que dice que las paredes del dominio solo pueden empujarse hasta cierto punto a una velocidad determinada antes de que efectivamente se rompan y dejen de moverse. Sin embargo, esta investigación proporciona evidencia de que las paredes del dominio se pueden impulsar a velocidades previamente desconocidas utilizando láseres.
Mientras que la mayoría de los dispositivos personales, como portátiles y teléfonos móviles, utilizan unidades flash más rápidas, los centros de datos utilizan unidades de disco duro más baratas y lentas. Sin embargo, cada vez que se procesa o invierte un poco de información, la unidad utiliza un campo magnético para conducir calor a través de una bobina de alambre, quemando mucha energía. Si una unidad pudiera utilizar pulsos láser en las capas magnéticas, el dispositivo funcionaría a un voltaje más bajo y los cambios de bits requerirían mucha menos energía para procesarse.
Las proyecciones actuales indican que para 2030, la tecnología de la información y las comunicaciones representará el 21% de la demanda energética mundial, lo que exacerbará el cambio climático. Este hallazgo, que fue destacado en un artículo de Jangid y coautores titulado "Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" en la revista Physical Review Letters el 19 de diciembre, llega en un momento en el que encontrar tecnologías energéticamente eficientes es primordial.
Para realizar el experimento, Jangid y sus colaboradores, incluidos investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología; Universidad de California en San Diego; La Universidad de Colorado, Colorado Springs y la Universidad de Estocolmo utilizaron la instalación de radiación láser de electrones libres para investigaciones multidisciplinarias (FERMI), una fuente de láser de electrones libres con sede en Trieste, Italia.
"Los láseres de electrones libres son instalaciones demenciales", afirmó Jangid. "Es un tubo de vacío de 2 millas de largo, y se toma una pequeña cantidad de electrones, se aceleran hasta la velocidad de la luz y al final se mueven para crear rayos X tan brillantes que, si no se tiene cuidado, , su muestra podría vaporizarse. Piense en ello como tomar toda la luz solar que cae sobre la Tierra y concentrarla en un centavo:ese es el flujo de fotones que tenemos en los láseres de electrones libres".
En FERMI, el grupo utilizó rayos X para medir lo que ocurre cuando un imán a nanoescala con múltiples capas de cobalto, hierro y níquel se excita mediante pulsos de femtosegundos. Un femtosegundo se define como 10 elevado a la quinceava parte negativa de un segundo, o una millonésima de una milmillonésima de segundo.
"Hay más femtosegundos en un segundo que días en la edad del universo", dijo Jangid. "Estas son mediciones extremadamente pequeñas y extremadamente rápidas que son difíciles de entender."
Jangid, que estaba analizando los datos, vio que eran estos pulsos láser ultrarrápidos que excitaban las capas ferromagnéticas los que provocaban el movimiento de las paredes del dominio. Según la rapidez con la que se movían esas paredes de dominio, el estudio postula que estos pulsos láser ultrarrápidos pueden cambiar un bit de información almacenado aproximadamente 1.000 veces más rápido que el campo magnético o los métodos basados en corriente de espín que se utilizan actualmente.
La tecnología está lejos de ser aplicada en la práctica, ya que los láseres actuales consumen mucha energía. Sin embargo, un proceso similar a la forma en que los discos compactos (CD) usan láseres para almacenar información y los reproductores de CD usan láseres para reproducirla podría funcionar en el futuro, afirmó Jangid.
Los próximos pasos incluyen explorar más a fondo la física de los mecanismos que permiten velocidades de pared de dominio ultrarrápidas superiores a los límites previamente conocidos, así como obtener imágenes del movimiento de la pared de dominio.
Esta investigación continuará en UC Davis bajo la dirección de Kukreja. Jangid ahora está llevando a cabo una investigación similar en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón 2 en el Laboratorio Nacional Brookhaven.
"Hay tantos aspectos del fenómeno ultrarrápido que apenas estamos empezando a comprender", dijo Jangid. "Estoy ansioso por abordar las preguntas abiertas que podrían desbloquear avances transformadores en espintrónica de baja potencia, almacenamiento de datos y procesamiento de información".
Más información: Rahul Jangid et al, Velocidades extremas de la pared de dominio bajo excitación óptica ultrarrápida, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256702
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por UC Davis
