超快激光脉冲可以减少数据存储能量需求真相还有哪些？

磁铁和激光实验的发现可能是节能数据存储的福音。

“我们想研究光磁相互作用的物理学，”Rahul Jangid说，他领导了该项目的数据分析，同时在加州大学戴维斯分校副教授Roopali Kukreja的指导下获得了材料科学与工程博士学位。“当你用非常短的激光脉冲击中磁畴时会发生什么?”

域是磁铁内从北极翻转到南极的区域。此属性用于数据存储，例如在计算机硬盘驱动器中。

Jangid和他的同事们发现，当磁铁被脉冲激光击中时，铁磁层中的畴壁以大约66公里/秒的速度移动，这比以前认为的速度限制快了大约100倍。

以这种速度移动的域壁可能会极大地影响数据的存储和处理方式，从而提供更快、更稳定的内存，并降低自旋电子学设备的能耗，例如硬盘驱动器，这些设备使用磁性金属多层内的电子自旋来存储、处理或传输信息。

“没有人认为这些墙可以这么快地移动，因为它们应该达到极限，”Jangid说。“这听起来绝对是香蕉，但这是真的。”

这是“香蕉”，因为沃克击穿现象，它表示域壁只能以给定的速度被推到这么远，然后它们才能有效地分解并停止移动。然而，这项研究提供了证据，证明可以使用激光以以前未知的速度驱动畴壁。

虽然笔记本电脑和手机等大多数个人设备使用更快的闪存驱动器，但数据中心使用更便宜、更慢的硬盘驱动器。然而，每次处理或翻转一点信息时，驱动器都会使用磁场通过线圈传导热量，从而燃烧大量能量。如果驱动器可以在磁层上使用激光脉冲，则设备将在较低的电压下运行，并且位翻转所需的能量将大大减少。

目前的预测表明，到2030年，信息和通信技术将占世界能源需求的21%，从而加剧气候变化。Jangid和合著者在12月19日发布在《物理评论快报》杂志上的一篇题为“超快光学激发下的极端域壁速度”的论文中强调了这一发现，这一发现正值寻找节能技术至关重要的时候。

为了进行这项实验，Jangid和他的合作者，包括来自国家科学技术研究所的研究人员;加州大学圣地亚哥分校;科罗拉多大学、科罗拉多斯普林斯大学和斯德哥尔摩大学使用了位于意大利的里雅斯特的自由电子激光辐射多学科研究设施，这是一种自由电子激光源。

“自由电子激光器是疯狂的设施，”Jangid说。“这是一个2英里长的真空管，你取少量电子，将它们加速到光速，最后摆动它们以产生如此明亮的X射线，如果你不小心，你的样品可能会被蒸发。把它想象成把所有落在地球上的阳光都聚焦在一分钱上——这就是我们在自由电子激光器上有多少光子通量。

在费米，该小组利用X射线来测量当具有多层钴，铁和镍的纳米级磁体被飞秒脉冲激发时会发生什么。飞秒定义为负十五秒的 10 到负十五秒，或十亿分之一秒的百万分之一。

“一秒钟的飞秒比宇宙年龄的天还要多，”Jangid说。“这些都是非常小、极快的测量，很难让你头脑清醒。”

Jangid正在分析数据，发现正是这些超快激光脉冲激发了铁磁层，导致了畴壁的运动。基于这些畴壁的移动速度，该研究认为，这些超快激光脉冲可以切换存储的信息位，比现在使用的基于磁场或自旋电流的方法快约1000倍。

该技术远未实际应用，因为当前的激光器消耗大量功率。然而，Jangid说，类似于光盘使用激光存储信息和CD播放器使用激光播放信息的过程可能会在未来奏效。

接下来的步骤包括进一步探索使超快的畴壁速度高于先前已知极限的机制的物理特性，以及对畴壁运动进行成像。

这项研究将在Kukreja的领导下在加州大学戴维斯分校继续进行。Jangid现在正在布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源2进行类似的研究。

“超快现象有很多方面，我们才刚刚开始了解，”Jangid说。“我渴望解决一些悬而未决的问题，这些问题可能会开启低功耗自旋电子学、数据存储和信息处理领域的变革性进展。”