「私たちは光遺伝学的相互作用の物理学を研究したかったのです」と、博士号を取得しながらプロジェクトのデータ分析を主導したラーフル・ジャンギッド氏は語った。 カリフォルニア大学デービス校の准教授ルーパリ・ククレジャの指導の下、材料科学と工学の博士号を取得しました。 「非常に短いレーザーパルスを磁区に当てると何が起こるでしょうか?」
ドメインは、N 極から S 極に反転する磁石内の領域です。 このプロパティは、コンピューターのハードディスク ドライブなどのデータ ストレージに使用されます。
Jangidらは、磁石にパルスレーザーが照射されると、強磁性層の磁壁が毎秒約66キロメートルで移動することを発見した。これは、これまで考えられていた速度制限の約100倍である。
このような速度で移動する磁壁は、データの保存と処理方法に劇的な影響を及ぼし、より高速で安定したメモリを提供し、複数の磁性金属層内の電子スピンを使用して保存するハードディスク ドライブなどのスピントロニクス デバイスのエネルギー消費を削減する可能性があります。情報を処理または送信します。
「壁は限界に達するはずなので、これほど早く移動できるとは誰も考えていません」とジャンギッド氏は語った。 「まったくばかばかしい話ですが、本当です。」 これが「バナナ」であるのは、ウォーカー破壊現象によるものです。ウォーカー破壊現象とは、磁壁が効果的に破壊されて動きを停止する前に、一定の速度でしか遠くまで押し進めることができないというものです。 しかし、この研究は、レーザーを使用してこれまで知られていなかった速度で磁壁を駆動できるという証拠を提供します。
ラップトップや携帯電話などのほとんどの個人用デバイスは高速フラッシュ ドライブを使用しますが、データ センターは安価で低速のハード ドライブを使用します。 ただし、少しの情報が処理または反転されるたびに、ドライブは磁場を使用してコイルを通して熱を伝導することにより、大量のエネルギーを消費します。 ドライブが磁性層上でレーザー パルスを使用できれば、デバイスはより低い電圧で動作し、ビット フリッピングに必要なエネルギーが大幅に削減されます。
現在の予測では、ICT が 2030 年までに世界のエネルギー需要の 21% を占め、気候変動に寄与することが示唆されており、この発見は、Jangid 氏とその共著者らが発表した「超高速光励起下の極限領域壁速度」というタイトルの論文で強調されています。 12 月 19 日、『Physical Review Letters』誌に掲載。 この発見は、省エネ技術の探索が重要な時期に行われた。
実験を実施するために、ジャンギッドと国立科学技術研究所の研究者を含む彼の協力者は、 カリフォルニア大学サンディエゴ校。 コロラド大学コロラドスプリングス校。 とストックホルム大学は、イタリアのトリエステにある自由電子レーザー源である自由電子レーザー放射のための学際的研究施設 (MFRF) を使用しました。
「自由電子レーザーはクレイジーな施設だ」とジャンギッド氏は語った。 「これは2-マイルの長さの真空管で、そこで少数の電子を取り出し、光の速度まで加速し、最終的には電子を振り回して非常に明るいX線を生成します。注意しないと生命を脅かすほどです。サンプルは蒸発する可能性があります。これは、地球に降り注ぐすべての太陽光を 1 ペニーに集中させることと考えてください。これが、自由電子レーザーで得られる光子束の量と同じです。
フェルミでは、このグループは X 線を使用して、コバルト、鉄、ニッケルの複数の層を持つナノスケールの磁石がフェムト秒パルスによって励起されたときに何が起こるかを測定しました。 フェムト秒は、10 からマイナス 15 分の 1 秒、または 10 億分の 1 秒として定義されます。
「1秒のフェムト秒の長さは、宇宙の年齢の日数よりも長い」とジャンギッド氏は語った。 「これらは非常に小さく、非常に高速な測定値なので、理解するのは困難です。」
Jangid はデータを分析し、強磁性層を励起して磁壁を移動させるのはこれらの超高速レーザー パルスであることを発見しました。 この研究では、これらの磁壁がどれだけ速く移動するかに基づいて、次のことが示唆されています。超高速レーザーパルスは、現在使用されている磁場またはスピン流ベースの方法よりも約 1,000 倍速く、保存された情報ビットを切り替えることができます。
現在のレーザーは大量の電力を消費するため、この技術は実用的とは程遠い。 しかし、ジャンギッド氏は、レーザーを使用して情報を保存するコンパクトディスクや、レーザーを使用して情報を再生するCDプレーヤーで使用されているプロセスと同様のプロセスが将来機能する可能性があると述べています。
次のステップには、既知の限界を超える超高速の磁壁速度を可能にするメカニズムの物理的特性をさらに調査することと、磁壁の動きを画像化することが含まれます。 この研究は、ククレヤ氏の指導の下、カリフォルニア大学デービス校で継続される。 Jangid は現在、ブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源 2 で同様の研究を行っています。
「超高速現象には、私たちが理解し始めたばかりの側面がたくさんあります」とジャンギッド氏は語った。 「私は、低電力スピントロニクス、データストレージ、情報処理における革新的な進歩を解き放つ可能性のある未解決の疑問のいくつかに取り組みたいと思っています。」
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