Une découverte issue d'une expérience avec des aimants et des lasers pourrait être une aubaine pour le stockage de données économe en énergie.
"Nous voulions étudier la physique de l'interaction lumière-aimant", a déclaré Rahul Jangid, qui a dirigé l'analyse des données du projet tout en obtenant son doctorat. en science et ingénierie des matériaux à l'UC Davis sous la direction du professeur agrégé Roopali Kukreja. "Que se passe-t-il lorsque vous frappez un domaine magnétique avec de très courtes impulsions de lumière laser ?"
Les domaines sont des zones au sein d’un aimant qui s’inversent des pôles nord aux pôles sud. Cette propriété est utilisée pour le stockage de données, par exemple sur les disques durs des ordinateurs.
Jangid et ses collègues ont découvert que lorsqu'un aimant est frappé par un laser pulsé, les parois du domaine dans les couches ferromagnétiques se déplacent à une vitesse d'environ 66 km/s, soit environ 100 fois plus rapide que la limite de vitesse prévue auparavant.
Les murs de domaine se déplaçant à cette vitesse pourraient affecter considérablement la façon dont les données sont stockées et traitées, offrant un moyen de mémoire plus rapide et plus stable et réduisant la consommation d'énergie dans les dispositifs spintroniques tels que les disques durs qui utilisent le spin des électrons dans des multicouches métalliques magnétiques pour stocker. , traiter ou transmettre des informations.
"Personne ne pensait qu'il était possible de déplacer ces murs aussi rapidement parce qu'ils devraient atteindre leur limite", a déclaré Jangid. "Cela semble absolument fou, mais c'est vrai."
Ce sont des « bananes », à cause du phénomène de rupture de Walker, qui dit que les murs de domaines ne peuvent être poussés que jusqu'à un certain point à une vitesse donnée avant de se briser et de cesser de bouger. Cette recherche prouve cependant que les parois du domaine peuvent être entraînées à des vitesses jusqu'alors inconnues à l'aide de lasers.
Alors que la plupart des appareils personnels comme les ordinateurs portables et les téléphones portables utilisent des lecteurs flash plus rapides, les centres de données utilisent des disques durs moins chers et plus lents. Cependant, chaque fois qu'une information est traitée ou retournée, le lecteur utilise un champ magnétique pour conduire la chaleur à travers une bobine de fil, brûlant ainsi beaucoup d'énergie. Si un lecteur pouvait à la place utiliser des impulsions laser sur les couches magnétiques, l'appareil fonctionnerait à une tension plus faible et le traitement des retournements de bits nécessiterait beaucoup moins d'énergie.
Les projections actuelles indiquent que d'ici 2030, les technologies de l'information et des communications représenteront 21 % de la demande énergétique mondiale, exacerbant ainsi le changement climatique. Cette découverte, qui a été soulignée dans un article de Jangid et de ses co-auteurs intitulé "Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation" dans la revue Physical Review Letters le 19 décembre arrive à un moment où il est primordial de trouver des technologies économes en énergie.
Pour mener l'expérience, Jangid et ses collaborateurs, dont des chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies; l'Université de Californie à San Diego ; L'Université du Colorado, Colorado Springs et l'Université de Stockholm ont utilisé l'installation FERMI (Free Electron Laser Radiation for Multidgraduate Investigations), une source laser à électrons libres basée à Trieste, en Italie.
"Les lasers à électrons libres sont des installations insensées", a déclaré Jangid. "C'est un tube à vide de 3 km de long, et vous prenez un petit nombre d'électrons, vous les accélérez jusqu'à la vitesse de la lumière et, à la fin, vous les remuez pour créer des rayons X si brillants que si vous n'y faites pas attention, , votre échantillon pourrait être vaporisé. Pensez-y comme si nous prenions toute la lumière du soleil tombant sur la Terre et la concentrant sur un centime :c'est la quantité de flux de photons que nous avons dans les lasers à électrons libres. »
À la FERMI, le groupe a utilisé les rayons X pour mesurer ce qui se produit lorsqu'un aimant à l'échelle nanométrique comportant plusieurs couches de cobalt, de fer et de nickel est excité par des impulsions femtosecondes. Une femtoseconde est définie comme 10 puissance moins quinzième de seconde, soit un millionième d'un milliardième de seconde.
"Il y a plus de femtosecondes dans une seconde qu'il n'y a de jours dans l'ère de l'univers", a déclaré Jangid. "Il s'agit de mesures extrêmement petites et extrêmement rapides, difficiles à comprendre."
Jangid, qui analysait les données, a constaté que ce sont ces impulsions laser ultrarapides qui excitaient les couches ferromagnétiques qui entraînaient le mouvement des parois du domaine. En se basant sur la vitesse à laquelle ces parois de domaine se déplaçaient, l'étude postule que ces impulsions laser ultrarapides peuvent commuter un bit d'information stocké environ 1 000 fois plus rapidement que les méthodes basées sur le champ magnétique ou le courant de spin actuellement utilisées.
La technologie est loin d’être appliquée dans la pratique, car les lasers actuels consomment beaucoup d’énergie. Cependant, un processus similaire à la manière dont les disques compacts (CD) utilisent des lasers pour stocker des informations et les lecteurs de CD utilisent des lasers pour les lire pourrait potentiellement fonctionner à l'avenir, a déclaré Jangid.
Les prochaines étapes comprennent une exploration plus approfondie de la physique des mécanismes qui permettent des vitesses de paroi de domaine ultrarapides supérieures aux limites précédemment connues, ainsi que l'imagerie du mouvement de la paroi de domaine.
Cette recherche se poursuivra à l'UC Davis sous la direction de Kukreja. Jangid poursuit actuellement des recherches similaires à la National Synchrotron Light Source 2 du Brookhaven National Laboratory.
"Il y a tellement d'aspects du phénomène ultrarapide que nous commençons tout juste à comprendre", a déclaré Jangid. "Je suis impatient d'aborder les questions ouvertes qui pourraient débloquer des progrès transformateurs dans les domaines de la spintronique à faible consommation, du stockage de données et du traitement de l'information."
Plus d'informations : Rahul Jangid et al, Vitesses extrêmes des murs de domaine sous excitation optique ultrarapide, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.256702
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique
Fourni par UC Davis
