A descoberta de um experimento com ímãs e lasers pode ser uma vantagem para o armazenamento de dados com eficiência energética.



“Queríamos estudar a física da interação luz-ímã”, disse Rahul Jangid, que liderou a análise de dados do projeto enquanto obtinha seu doutorado. em ciência e engenharia de materiais na UC Davis com o professor associado Roopali Kukreja. "O que acontece quando você atinge um domínio magnético com pulsos muito curtos de luz laser?"

Domínios são áreas dentro de um ímã que giram dos pólos norte para sul. Esta propriedade é usada para armazenamento de dados, por exemplo, em discos rígidos de computadores.

Jangid e seus colegas descobriram que quando um ímã é atingido por um laser pulsado, as paredes do domínio nas camadas ferromagnéticas se movem a uma velocidade de aproximadamente 66 km/s, o que é cerca de 100 vezes mais rápido do que o limite de velocidade anteriormente pensado.

Paredes de domínio que se movem a esta velocidade podem afetar drasticamente a forma como os dados são armazenados e processados, oferecendo um meio de memória mais rápida e estável e reduzindo o consumo de energia em dispositivos spintrônicos, como unidades de disco rígido que usam o spin de elétrons dentro de multicamadas metálicas magnéticas para armazenar , processar ou transmitir informações.

“Ninguém pensou que fosse possível mover estas paredes tão rapidamente porque deveriam atingir o seu limite”, disse Jangid. "Parece absolutamente absurdo, mas é verdade."

São "bananas", por causa do fenômeno de colapso de Walker, que diz que as paredes do domínio só podem ser empurradas até certo ponto, a uma determinada velocidade, antes de efetivamente quebrarem e pararem de se mover. Esta pesquisa, no entanto, fornece evidências de que as paredes do domínio podem ser acionadas em velocidades até então desconhecidas usando lasers.

Enquanto a maioria dos dispositivos pessoais, como laptops e telefones celulares, usam unidades flash mais rápidas, os data centers usam unidades de disco rígido mais baratas e mais lentas. No entanto, cada vez que um bit de informação é processado ou invertido, o drive usa um campo magnético para conduzir calor através de uma bobina de fio, queimando muita energia. Se uma unidade pudesse usar pulsos de laser nas camadas magnéticas, o dispositivo operaria com uma voltagem mais baixa e as inversões de bits consumiriam significativamente menos energia para serem processadas.

As actuais projecções indicam que, até 2030, as tecnologias de informação e comunicação serão responsáveis ​​por 21% da procura energética mundial, agravando as alterações climáticas. Esta descoberta, destacada em um artigo de Jangid e coautores intitulado "Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" na revista Physical Review Letters em 19 de dezembro, chega num momento em que encontrar tecnologias energeticamente eficientes é fundamental.

Quando o laser encontra o ímã

Para conduzir o experimento, Jangid e seus colaboradores, incluindo pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia; Universidade da Califórnia em San Diego; A Universidade do Colorado, Colorado Springs e a Universidade de Estocolmo usaram a instalação de Radiação Laser de Elétrons Livres para Investigações Multidisciplinares (FERMI), uma fonte de laser de elétrons livres com sede em Trieste, Itália.

“Lasers de elétrons livres são instalações malucas”, disse Jangid. "É um tubo de vácuo de 3,2 quilômetros de comprimento, e você pega um pequeno número de elétrons, acelera-os até a velocidade da luz e, no final, mexe-os para criar raios X tão brilhantes que, se você não tomar cuidado , sua amostra poderia ser vaporizada. Pense nisso como pegar toda a luz solar que incide sobre a Terra e focar tudo em uma moeda – essa é a quantidade de fluxo de fótons que temos nos lasers de elétrons livres.

Na FERMI, o grupo utilizou raios X para medir o que ocorre quando um ímã em escala nanométrica com múltiplas camadas de cobalto, ferro e níquel é excitado por pulsos de femtossegundos. Um femtossegundo é definido como 10 elevado a menos quinze de segundo, ou um milionésimo de um bilionésimo de segundo.

“Há mais femtossegundos em um segundo do que dias na idade do universo”, disse Jangid. "Essas são medições extremamente pequenas e extremamente rápidas que são difíceis de entender."

Jangid, que estava analisando os dados, viu que foram esses pulsos de laser ultrarrápidos que excitaram as camadas ferromagnéticas que resultaram no movimento das paredes do domínio. Com base na rapidez com que essas paredes de domínio se moviam, o estudo postula que esses pulsos de laser ultrarrápidos podem trocar um bit de informação armazenado aproximadamente 1.000 vezes mais rápido do que o campo magnético ou os métodos baseados em corrente de spin usados ​​​​agora.

O futuro dos fenômenos ultrarrápidos

A tecnologia está longe de ser aplicada na prática, pois os lasers atuais consomem muita energia. No entanto, um processo semelhante ao modo como os discos compactos (CDs) usam lasers para armazenar informações e os leitores de CD usam lasers para reproduzi-las poderia funcionar no futuro, disse Jangid.

As próximas etapas incluem explorar ainda mais a física dos mecanismos que permitem velocidades ultrarrápidas da parede do domínio superiores aos limites anteriormente conhecidos, bem como gerar imagens do movimento da parede do domínio.

Esta pesquisa continuará na UC Davis sob a orientação de Kukreja. Jangid está agora realizando pesquisas semelhantes na National Synchrotron Light Source 2 no Brookhaven National Laboratory.

“Existem tantos aspectos do fenômeno ultrarrápido que estamos apenas começando a entender”, disse Jangid. "Estou ansioso para abordar as questões em aberto que poderiam desbloquear avanços transformadores em spintrônica de baixa potência, armazenamento de dados e processamento de informações."

Mais informações: Rahul Jangid et al, Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.256702
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido por UC Davis