"Nous voulions étudier la physique des interactions optogénétiques", a déclaré Rahul Jangid, qui a dirigé l'analyse des données du projet tout en obtenant son doctorat. en science et ingénierie des matériaux sous la direction de Roopali Kukreja, professeur agrégé à l'UC Davis. "Que se passe-t-il lorsque vous frappez un domaine magnétique avec une impulsion laser très courte ?"
Un domaine est une région au sein d’un aimant qui bascule du pôle nord au pôle 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 de la couche ferromagnétique se déplacent à environ 66 kilomètres par seconde, ce qui est environ 100 fois plus rapide que la limite de vitesse envisagée auparavant.
Les murs de domaine se déplaçant à de telles vitesses pourraient affecter considérablement la façon dont les données sont stockées et traitées, fournissant une mémoire plus rapide et plus stable et réduisant la consommation d'énergie des dispositifs spintroniques, tels que les disques durs, qui utilisent des spins électroniques dans plusieurs couches de métaux magnétiques pour stocker, traiter ou transmettre des informations.
"Personne ne pense que ces murs peuvent bouger aussi vite parce qu'ils sont censés atteindre leurs limites", a déclaré Jangid. "Cela semble absolument banal, mais c'est vrai." C'est une "banane" à cause du phénomène de rupture de Walker, qui dit que les murs de domaine ne peuvent être poussés que jusqu'à un certain point à une vitesse donnée avant de se briser et de cesser de bouger. Cependant, cette étude fournit la preuve que les lasers peuvent être utilisés pour piloter des parois de domaine à des vitesses jusque-là inconnues.
Alors que la plupart des appareils personnels tels que 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, les disques brûlent beaucoup d'énergie en utilisant un champ magnétique pour conduire la chaleur à travers les bobines. Si les lecteurs pouvaient utiliser des impulsions laser sur les couches magnétiques, les dispositifs fonctionneraient à des tensions plus faibles et l'énergie requise pour le retournement des bits serait considérablement réduite.
Les projections actuelles suggèrent que les TIC représenteront 21 pour cent de la demande énergétique mondiale d'ici 2030, contribuant ainsi au changement climatique, une conclusion soulignée par Jangid et ses co-auteurs dans un article intitulé "Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation", publié 19 décembre dans la revue Physical Review Letters. Cette découverte intervient à un moment où la recherche de technologies économes en énergie est cruciale.
Pour mener l'expérience, Jangid et ses collaborateurs, dont des chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies ; l'Université de Californie, San Diego ; l'Université du Colorado, Colorado Springs ; et l'Université de Stockholm, ont utilisé le Centre de recherche multidisciplinaire sur le rayonnement laser à électrons libres (MFRF), une source laser à électrons libres située à Trieste, en Italie.
"Le laser à électrons libres est une installation folle", a déclaré Jangid. "C'est un tube à vide de 2- miles de long dans lequel vous prenez une poignée d'électrons, les accélérez jusqu'à la vitesse de la lumière, et finalement les faites pivoter pour produire des rayons X si brillants que si vous ne faites pas attention, votre L'échantillon pourrait être vaporisé. Pensez-y comme concentrant toute la lumière du soleil qui tombe sur la Terre sur un centime - c'est la quantité de flux de photons que nous avons au niveau du laser à électrons libres.
Chez Fermi, le groupe a utilisé les rayons X pour mesurer ce qui se passe lorsque des aimants nanométriques comportant plusieurs couches de cobalt, de fer et de nickel sont excités par des impulsions femtosecondes. Une femtoseconde est définie comme étant 10 puissance moins quinzième de seconde ou un millionième de 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. "Ce sont des mesures très petites et extrêmement rapides, et il est difficile de les comprendre."
Jangid analyse les données et a découvert que ce sont ces impulsions laser ultrarapides qui excitent la couche ferromagnétique, provoquant le déplacement des parois du domaine. En fonction de la rapidité avec laquelle ces murs de domaines se déplacent, l'étude suggère que ceslaser ultrarapideles impulsions pourraient commuter les bits d'informations stockés environ 1,000 fois plus rapidement que le champ magnétique ou les méthodes basées sur le courant de spin utilisées aujourd'hui.
La technique est loin d’être pratique car les lasers actuels consomment beaucoup d’énergie. Cependant, Jangid affirme que des processus similaires à ceux utilisés par les disques compacts pour stocker des informations à l'aide de lasers et les lecteurs de CD pour lire les informations à l'aide de lasers pourraient fonctionner à l'avenir.
Les prochaines étapes consistent à explorer davantage les propriétés physiques des mécanismes qui permettent des vitesses ultrarapides des parois de domaine supérieures aux limites précédemment connues, ainsi qu'à imager le mouvement de la paroi de domaine. Cette recherche se poursuivra à UC Davis sous la direction de Kukreja. Jangid mène actuellement des recherches similaires à la National Synchrotron Light Source 2 du Brookhaven National Laboratory.
"Nous commençons tout juste à comprendre de nombreux aspects des phénomènes ultrarapides", a déclaré Jangid. "Je suis impatient d'aborder certaines des questions en suspens qui pourraient débloquer des avancées transformatrices dans les domaines de la spintronique à faible consommation, du stockage de données et du traitement de l'information."
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