“Queríamos estudar a física das interações optogenéticas”, disse Rahul Jangid, que liderou a análise de dados do projeto enquanto obtinha seu doutorado. em ciência e engenharia de materiais sob a direção de Roopali Kukreja, professor associado da UC Davis. “O que acontece quando você atinge um domínio magnético com um pulso de laser muito curto?”
Um domínio é uma região dentro de um ímã que vai do pólo norte ao pólo sul. Esta propriedade é usada para armazenamento de dados, como em unidades de disco rígido de computador.
Jangid e seus colegas descobriram que quando um ímã é atingido por um laser pulsado, as paredes do domínio na camada ferromagnética se movem a cerca de 66 quilômetros por segundo, o que é cerca de 100 vezes mais rápido do que o limite de velocidade anteriormente considerado.
As paredes de domínio que se movem a tais velocidades podem afetar drasticamente a forma como os dados são armazenados e processados, proporcionando uma memória mais rápida e estável e reduzindo o consumo de energia de dispositivos spintrónicos, como unidades de disco rígido, que utilizam spins de eletrões dentro de múltiplas camadas de metais magnéticos para armazenar, processar ou transmitir informações.
“Ninguém pensa que estas paredes possam mover-se tão rapidamente porque deveriam atingir os seus limites”, 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. No entanto, este estudo fornece evidências de que os lasers podem ser usados para acionar paredes de domínio em velocidades até então desconhecidas.
Enquanto a maioria dos dispositivos pessoais, como laptops e telefones celulares, usam unidades flash mais rápidas, os data centers usam discos rígidos mais baratos e mais lentos. No entanto, cada vez que uma informação é processada ou invertida, as unidades queimam muita energia usando um campo magnético para conduzir calor através das bobinas. Se os drives pudessem usar pulsos de laser nas camadas magnéticas, os dispositivos operariam em tensões mais baixas e a energia necessária para a inversão de bits seria bastante reduzida.
As projeções atuais sugerem que as TIC serão responsáveis por 21% da procura mundial de energia até 2030, contribuindo para as alterações climáticas, uma descoberta destacada por Jangid e coautores num artigo intitulado "Extreme Domain Wall Velocity under Ultrafast Optical Excitation", que foi publicado 19 de dezembro na revista Physical Review Letters. A descoberta surge num momento em que a procura por tecnologias de poupança de energia é crítica.
Para conduzir o experimento, Jangid e seus colaboradores, incluindo pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia; a Universidade da Califórnia, San Diego; a Universidade do Colorado, Colorado Springs; e a Universidade de Estocolmo, usaram o Centro de Pesquisa Multidisciplinar para Radiação Laser de Elétrons Livres (MFRF), uma fonte de laser de elétrons livres localizada em Trieste, Itália.
“O laser de elétrons livres é uma instalação maluca”, disse Jangid. "É um tubo de vácuo de 2-quilômetros de comprimento onde você pega um punhado de elétrons, acelera-os até a velocidade da luz e, finalmente, gira-os para produzir raios X tão brilhantes que, se você não tomar cuidado, seu a amostra poderia ser vaporizada. Pense nisso como focar toda a luz solar que incide sobre a Terra em uma moeda de um centavo - essa é a quantidade de fluxo de fótons que temos no laser de elétrons livres.
No Fermi, o grupo usou raios X para medir o que acontece quando ímãs em nanoescala com múltiplas camadas de cobalto, ferro e níquel são excitados por pulsos de femtossegundos. Um femtossegundo é definido como 10 elevado a menos quinze de segundo ou um milionésimo de bilionésimo de segundo.
“Há mais femtossegundos num segundo do que dias na idade do universo”, disse Jangid. "Essas são medições muito pequenas e extremamente rápidas, e é difícil entendê-las."
Jangid está analisando os dados e descobriu que são esses pulsos de laser ultrarrápidos que excitam a camada ferromagnética, fazendo com que as paredes do domínio se movam. Com base na rapidez com que estas paredes de domínio se movem, o estudo sugere que estaslaser ultrarrápidopulsos poderiam trocar bits de informação armazenados cerca de 1,000 vezes mais rápido do que o campo magnético ou métodos baseados em corrente de spin usados hoje.
A técnica está longe de ser prática porque os lasers atuais consomem muita energia. No entanto, Jangid diz que processos semelhantes aos usados por discos compactos para armazenar informações usando lasers e CD players para reproduzir informações usando lasers poderiam funcionar no futuro.
As próximas etapas incluem explorar ainda mais as propriedades físicas dos mecanismos que permitem velocidades ultrarrápidas da parede do domínio acima dos limites previamente conhecidos, bem como gerar imagens do movimento da parede do domínio. Esta pesquisa continuará na UC Davis sob a liderança de Kukreja. Jangid está agora conduzindo pesquisas semelhantes na Fonte Nacional de Luz Síncrotron 2 no Laboratório Nacional de Brookhaven.
“Existem muitos aspectos dos fenómenos ultrarrápidos que estamos apenas começando a compreender”, disse Jangid. "Estou ansioso para abordar algumas das questões pendentes que poderiam desbloquear avanços transformadores em spintrônica de baixa potência, armazenamento de dados e processamento de informações."
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