"우리는 광유전학적 상호작용의 물리학을 연구하고 싶었습니다."라고 박사 학위를 취득하면서 프로젝트의 데이터 분석을 주도한 Rahul Janid가 말했습니다. UC Davis의 부교수인 Roopali Kukreja의 지도 하에 재료 과학 및 공학을 전공했습니다. "매우 짧은 레이저 펄스로 자기 구역에 도달하면 어떻게 되나요?"
도메인은 북극에서 남극으로 뒤집히는 자석 내의 영역입니다. 이 속성은 컴퓨터 하드 디스크 드라이브와 같은 데이터 저장에 사용됩니다.
Janid와 그의 동료들은 자석이 펄스 레이저에 부딪히면 강자성층의 자벽이 초당 약 66km의 속도로 움직이는 것을 발견했는데, 이는 이전에 생각했던 속도 제한보다 약 100배 빠른 속도입니다.
이러한 속도로 움직이는 도메인 벽은 데이터 저장 및 처리 방식에 큰 영향을 미쳐 더 빠르고 안정적인 메모리를 제공하고 여러 자성 금속 층 내에서 전자 스핀을 사용하여 저장하는 하드 디스크 드라이브와 같은 스핀트로닉스 장치의 에너지 소비를 줄입니다. 정보를 처리하거나 전송합니다.
"이 벽이 한계에 도달해야 하기 때문에 아무도 이 벽이 이렇게 빨리 움직일 수 있다고 생각하지 않습니다"라고 Janid는 말했습니다. "완전히 바나나처럼 들리지만 사실입니다." 그것은 도메인 벽이 효과적으로 무너져 움직이지 않기 전에 주어진 속도로 지금까지만 밀릴 수 있다는 워커 파괴 현상 때문에 "바나나"입니다. 그러나 이 연구는 이전에 알려지지 않은 속도로 자벽을 구동하는 데 레이저를 사용할 수 있다는 증거를 제공합니다.
노트북이나 휴대폰과 같은 대부분의 개인 장치는 더 빠른 플래시 드라이브를 사용하는 반면, 데이터 센터는 더 저렴하고 느린 하드 드라이브를 사용합니다. 그러나 약간의 정보가 처리되거나 뒤집힐 때마다 드라이브는 자기장을 사용하여 코일을 통해 열을 전도함으로써 많은 에너지를 소모합니다. 드라이브가 자기층에 레이저 펄스를 사용할 수 있다면 장치는 더 낮은 전압에서 작동하고 비트 뒤집기에 필요한 에너지가 크게 줄어들 것입니다.
현재 예측에 따르면 ICT는 2030년까지 세계 에너지 수요의 21%를 차지하여 기후 변화에 기여할 것입니다. 이는 Janid와 공동 저자가 "초고속 광학 여기 하의 극한 도메인 벽 속도"라는 제목의 논문에서 강조한 결과입니다. 12월 19일자 Physical Review Letters 저널에 게재됨. 이번 발견은 에너지 절약 기술에 대한 연구가 중요한 시점에 이루어졌습니다.
실험을 수행하기 위해 국립 과학 기술 연구소의 연구원을 포함한 Janid와 그의 협력자들; 캘리포니아 대학교 샌디에이고; 콜로라도 대학교, 콜로라도 스프링스; 스톡홀름 대학교는 이탈리아 트리에스테에 위치한 자유 전자 레이저 소스인 자유 전자 레이저 방사선(MFRF)을 위한 종합 연구 시설을 사용했습니다.
"자유전자 레이저는 미친 시설이다"라고 Janid는 말했다. "이것은 2-마일 길이의 진공관으로, 여기에서 전자 몇 개를 가져와 빛의 속도로 가속한 다음 마침내 회전시켜 너무 밝은 X선을 생성하여 조심하지 않으면 샘플은 기화될 수 있습니다. 지구에 떨어지는 모든 햇빛을 1페니에 집중시키는 것으로 생각해보세요. 이것이 바로 자유 전자 레이저에서 갖는 광자 플럭스의 양입니다.
페르미(Fermi)에서 연구진은 X선을 사용하여 코발트, 철, 니켈로 이루어진 여러 층의 나노 크기 자석이 펨토초 펄스에 의해 자극될 때 어떤 일이 일어나는지 측정했습니다. 펨토초는 10의 마이너스 1/15초 또는 100만분의 1초로 정의됩니다.
"우주 나이의 날 수보다 더 많은 펨토초가 1초에 존재합니다"라고 Janid는 말했습니다. "이것은 매우 작고 매우 빠른 측정값이므로 머리로 파악하기가 어렵습니다."
Janid는 데이터를 분석하여 강자성층을 자극하여 자벽을 움직이게 하는 것이 이러한 초고속 레이저 펄스라는 것을 발견했습니다. 이 도메인 벽이 얼마나 빨리 움직이는지를 기반으로 연구에서는 다음과 같은 결과가 나왔다고 제안합니다.초고속 레이저펄스는 현재 사용되는 자기장이나 스핀 전류 기반 방법보다 약 1,000 배 빠르게 저장된 정보 비트를 전환할 수 있습니다.
현재 레이저는 많은 전력을 소비하기 때문에 이 기술은 실용적이지 않습니다. 그러나 Janid는 레이저를 사용하여 정보를 저장하기 위해 컴팩트 디스크에 사용되는 프로세스와 레이저를 사용하여 정보를 재생하기 위해 CD 플레이어에서 사용하는 것과 유사한 프로세스가 미래에도 가능하다고 말합니다.
다음 단계에는 이전에 알려진 한계보다 높은 초고속 자벽 속도를 가능하게 하는 메커니즘의 물리적 특성을 추가로 탐색하고 자벽 움직임을 이미징하는 것이 포함됩니다. 이 연구는 Kukreja의 리더십 하에 UC Davis에서 계속될 것입니다. Janid는 현재 Brookhaven 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원 2에서 유사한 연구를 수행하고 있습니다.
"우리가 이제 막 이해하기 시작한 초고속 현상의 많은 측면이 있습니다"라고 Janid는 말했습니다. "저는 저전력 스핀트로닉스, 데이터 저장 및 정보 처리 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있는 몇 가지 뛰어난 질문을 해결하고 싶습니다."
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