"Queríamos estudiar la física de las interacciones optogenéticas", dijo Rahul Jangid, quien dirigió el análisis de datos para el proyecto mientras obtenía su doctorado. en ciencia e ingeniería de materiales bajo la dirección de Roopali Kukreja, profesor asociado en UC Davis. "¿Qué sucede cuando golpeas un dominio magnético con un pulso láser muy corto?"
Un dominio es una región dentro de un imán que gira del polo norte al polo sur. Esta propiedad se utiliza para el almacenamiento de datos, como en las unidades de disco duro de las computadoras.
Jangid y sus colegas descubrieron que cuando un imán es golpeado por un láser pulsado, las paredes del dominio en la capa ferromagnética se mueven a unos 66 kilómetros por segundo, unas 100 veces más rápido que el límite de velocidad pensado anteriormente.
Los muros de dominio que se mueven a tales velocidades podrían afectar drásticamente la forma en que se almacenan y procesan los datos, proporcionando una memoria más rápida y estable y reduciendo el consumo de energía de los dispositivos espintrónicos, como las unidades de disco duro, que utilizan espines de electrones dentro de múltiples capas de metales magnéticos para almacenar. procesar o transmitir información.
"Nadie cree que estos muros puedan moverse tan rápido porque se supone que deben alcanzar sus límites", 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, este estudio proporciona evidencia de que los láseres se pueden utilizar para impulsar paredes de dominios a velocidades previamente desconocidas.
Mientras que la mayoría de los dispositivos personales, como portátiles y teléfonos móviles, utilizan unidades flash más rápidas, los centros de datos utilizan discos duros más baratos y lentos. Sin embargo, cada vez que se procesa o invierte un poco de información, las unidades queman mucha energía utilizando un campo magnético para conducir calor a través de las bobinas. Si las unidades pudieran usar pulsos láser en las capas magnéticas, los dispositivos funcionarían a voltajes más bajos y la energía requerida para invertir los bits se reduciría considerablemente.
Las proyecciones actuales sugieren que las TIC representarán el 21 por ciento de la demanda mundial de energía para 2030, lo que contribuirá al cambio climático, un hallazgo destacado por Jangid y sus coautores en un artículo titulado "Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation", que fue publicado 19 de diciembre en la revista Physical Review Letters. El descubrimiento llega en un momento en el que la búsqueda de tecnologías de ahorro de energía es fundamental.
Para realizar el experimento, Jangid y sus colaboradores, incluidos investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología; la Universidad de California, San Diego; la Universidad de Colorado, Colorado Springs; y la Universidad de Estocolmo, utilizaron el Centro de investigación multidisciplinario para la radiación láser de electrones libres (MFRF), una fuente láser de electrones libres ubicada en Trieste, Italia.
"El láser de electrones libres es una instalación demencial", afirmó Jangid. "Es un tubo de vacío de 2-millas de largo en el que se toman un puñado de electrones, se los acelera a la velocidad de la luz y finalmente se los gira para producir rayos X tan brillantes que, si no se tiene cuidado, La muestra podría vaporizarse. Piense en ello como si se concentrara toda la luz solar que cae sobre la Tierra en un centavo: esa es la cantidad de flujo de fotones que tenemos en el láser de electrones libres.
En Fermi, el grupo utilizó rayos X para medir lo que sucede cuando los imanes a nanoescala con múltiples capas de cobalto, hierro y níquel son excitados por pulsos de femtosegundos. Un femtosegundo se define como 10 elevado a menos quinceava parte de un segundo o una millonésima de una billonésima de segundo.
"Hay más femtosegundos en un segundo que días en la edad del universo", dijo Jangid. "Estas son mediciones muy pequeñas y extremadamente rápidas, y es difícil entenderlas".
Jangid está analizando los datos y ha descubierto que son estos pulsos láser ultrarrápidos los que excitan la capa ferromagnética, provocando que las paredes del dominio se muevan. Según la rapidez con la que se mueven estos muros de dominio, el estudio sugiere que estosláser ultrarrápidoLos pulsos podrían cambiar bits de información almacenados aproximadamente 1,000 veces más rápido que el campo magnético o los métodos basados en corriente de espín que se utilizan en la actualidad.
La técnica dista mucho de ser práctica porque los láseres actuales consumen mucha energía. Sin embargo, Jangid dice que procesos similares a los utilizados por los discos compactos para almacenar información usando láseres y los reproductores de CD para reproducir información usando láseres podrían funcionar en el futuro.
Los próximos pasos incluyen explorar más a fondo las propiedades físicas de los mecanismos que permiten velocidades de pared de dominio ultrarrápidas por encima de los límites previamente conocidos, así como obtener imágenes del movimiento de la pared de dominio. Esta investigación continuará en UC Davis bajo el liderazgo 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 muchos aspectos de los fenómenos ultrarrápidos que apenas estamos empezando a comprender", dijo Jangid. "Estoy ansioso por abordar algunas de las preguntas pendientes que podrían desbloquear avances transformadores en espintrónica de baja potencia, almacenamiento de datos y procesamiento de información".
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