“เราต้องการศึกษาฟิสิกส์ของการโต้ตอบออพโตเจเนติกส์” ราหุล จังกิด ซึ่งเป็นผู้นำการวิเคราะห์ข้อมูลสำหรับโครงการกล่าวในขณะที่รับปริญญาเอก ในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์ภายใต้การดูแลของ Roopali Kukreja รองศาสตราจารย์ที่ UC Davis "จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณชนโดเมนแม่เหล็กด้วยพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมาก"
โดเมนคือบริเวณภายในแม่เหล็กที่พลิกจากขั้วเหนือไปยังขั้วใต้ คุณสมบัตินี้ใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูล เช่น ในฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ของคอมพิวเตอร์
จางกิดและเพื่อนร่วมงานของเขาพบว่าเมื่อแม่เหล็กถูกโจมตีด้วยเลเซอร์พัลซ์ ผนังโดเมนในชั้นเฟอร์โรแมกเนติกจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 66 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเร็วกว่าขีดจำกัดความเร็วที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ประมาณ 100 เท่า
ผนังโดเมนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วดังกล่าวอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อวิธีการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูล โดยให้หน่วยความจำที่เร็วขึ้นและมีเสถียรภาพมากขึ้น และลดการใช้พลังงานของอุปกรณ์ Spintronics เช่น ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ ซึ่งใช้การหมุนของอิเล็กตรอนภายในโลหะแม่เหล็กหลายชั้นในการจัดเก็บ ประมวลผลหรือส่งข้อมูล
“ไม่มีใครคิดว่ากำแพงเหล่านี้จะเคลื่อนตัวได้เร็วขนาดนี้ เพราะว่าพวกมันควรจะถึงขีดจำกัดแล้ว” จางกิดกล่าว "มันฟังดูกล้วยๆ นะ แต่มันเป็นเรื่องจริง" มันคือ "กล้วย" เนื่องจากปรากฏการณ์การพังของวอล์คเกอร์ ซึ่งบอกว่ากำแพงโดเมนสามารถผลักออกไปได้ไกลด้วยความเร็วที่กำหนดเท่านั้น ก่อนที่จะพังทลายและหยุดการเคลื่อนไหวอย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้แสดงหลักฐานว่าเลเซอร์สามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนผนังโดเมนด้วยความเร็วที่ไม่ทราบมาก่อน
แม้ว่าอุปกรณ์ส่วนตัวส่วนใหญ่ เช่น แล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือจะใช้แฟลชไดรฟ์ที่เร็วกว่า แต่ศูนย์ข้อมูลก็ใช้ฮาร์ดไดรฟ์ที่ราคาถูกกว่าและทำงานช้ากว่า อย่างไรก็ตาม ทุกครั้งที่ประมวลผลหรือพลิกข้อมูลเล็กน้อย ไดรฟ์จะเผาผลาญพลังงานจำนวนมากโดยใช้สนามแม่เหล็กเพื่อนำความร้อนผ่านขดลวด หากไดรฟ์สามารถใช้พัลส์เลเซอร์บนชั้นแม่เหล็ก อุปกรณ์จะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า และพลังงานที่จำเป็นสำหรับการพลิกบิตจะลดลงอย่างมาก
การคาดการณ์ในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่า ICT จะคิดเป็นร้อยละ 21 ของความต้องการพลังงานของโลกภายในปี 2573 ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การค้นพบที่ Jangid และผู้เขียนร่วมเน้นย้ำในรายงานเรื่อง "Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Excitation" ซึ่งได้รับการตีพิมพ์ 19 ธ.ค. ในวารสาร Physical Review Letters การค้นพบนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่การค้นหาเทคโนโลยีประหยัดพลังงานเป็นสิ่งสำคัญ
เพื่อทำการทดลอง Jangid และผู้ร่วมงานของเขา รวมทั้งนักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก; มหาวิทยาลัยโคโลราโด โคโลราโดสปริงส์; และมหาวิทยาลัยสตอกโฮล์มได้ใช้ศูนย์วิจัยสหสาขาวิชาชีพสำหรับการแผ่รังสีเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (MFRF) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่ตั้งอยู่ในเมืองทริเอสเต ประเทศอิตาลี
"เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกที่บ้ามาก" Jangid กล่าว "มันเป็นหลอดสุญญากาศยาว 2- ไมล์ที่คุณนำอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งมาเร่งความเร็วให้เป็นความเร็วแสง และสุดท้ายก็เหวี่ยงพวกมันไปรอบๆ เพื่อสร้างรังสีเอกซ์ที่สว่างมาก ซึ่งถ้าคุณไม่ระวัง ตัวอย่างสามารถระเหยได้ ลองคิดว่ามันเป็นการโฟกัสแสงอาทิตย์ทั้งหมดที่ตกลงมาบนโลกด้วยเพนนี นั่นคือปริมาณโฟตอนฟลักซ์ที่เรามีในเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ
ที่ Fermi กลุ่มวิจัยใช้รังสีเอกซ์เพื่อวัดสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแม่เหล็กระดับนาโนที่มีโคบอลต์ เหล็ก และนิกเกิลหลายชั้นถูกกระตุ้นด้วยพัลส์เฟมโตวินาที femtosecond หมายถึง 10 ยกกำลังลบสิบห้าของวินาที หรือหนึ่งในล้านของหนึ่งในพันล้านของวินาที
“มีเฟมโตวินาทีในหนึ่งวินาทีมากกว่าจำนวนวันในยุคของจักรวาล” จางกิดกล่าว “สิ่งเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก การวัดที่รวดเร็วมาก และยากที่คุณจะมองข้ามมันไป”
Jangid กำลังวิเคราะห์ข้อมูลและพบว่าพัลส์เลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษเหล่านี้เองที่กระตุ้นชั้นเฟอร์โรแมกเนติก ส่งผลให้ผนังโดเมนเคลื่อนที่ จากการศึกษาว่ากำแพงโดเมนเหล่านี้เคลื่อนที่ได้เร็วแค่ไหนเลเซอร์เร็วมากพัลส์สามารถเปลี่ยนบิตข้อมูลที่เก็บไว้ได้เร็วกว่าสนามแม่เหล็กหรือกระแสหมุนที่ใช้ในปัจจุบันประมาณ 1 000 เท่า
เทคนิคนี้ยังห่างไกลจากการปฏิบัติจริงเนื่องจากเลเซอร์ในปัจจุบันใช้พลังงานมาก อย่างไรก็ตาม Jangid กล่าวว่ากระบวนการที่คล้ายคลึงกับที่ใช้ในคอมแพคดิสก์เพื่อจัดเก็บข้อมูลโดยใช้เลเซอร์ และเครื่องเล่นซีดีเพื่อเล่นข้อมูลโดยใช้เลเซอร์สามารถทำงานได้ในอนาคต
ขั้นตอนต่อไป ได้แก่ การสำรวจคุณสมบัติทางกายภาพของกลไกเพิ่มเติมที่ช่วยให้วอลล์โดเมนมีความเร็วสูงสุดเหนือขีดจำกัดที่ทราบก่อนหน้านี้ ตลอดจนการถ่ายภาพการเคลื่อนไหวของวอลล์โดเมน การวิจัยนี้จะดำเนินต่อไปที่ UC Davis ภายใต้การนำของ Kukreja ขณะนี้ Jangid กำลังดำเนินการวิจัยที่คล้ายกันที่ National Synchrotron Light Source 2 ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven
“ปรากฏการณ์ที่เร็วมากมีหลายประการที่เราเพิ่งเริ่มเข้าใจ” จางกิดกล่าว "ฉันกระตือรือร้นที่จะตอบคำถามที่โดดเด่นบางข้อที่สามารถปลดล็อกความก้าวหน้าด้านการเปลี่ยนแปลงใน Spintronics ที่ใช้พลังงานต่ำ การจัดเก็บข้อมูล และการประมวลผลข้อมูล"
อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่
