"Kami mahu mengkaji fizik interaksi optogenetik," kata Rahul Jangid, yang mengetuai analisis data untuk projek itu sambil memperoleh Ph.D. dalam sains bahan dan kejuruteraan di bawah arahan Roopali Kukreja, seorang profesor bersekutu di UC Davis. "Apa yang berlaku apabila anda memukul domain magnetik dengan nadi laser yang sangat pendek?"
Domain ialah kawasan dalam magnet yang terbalik dari kutub utara ke kutub selatan. Sifat ini digunakan untuk penyimpanan data, seperti dalam pemacu cakera keras komputer.
Jangid dan rakan-rakannya mendapati bahawa apabila magnet dipukul oleh laser berdenyut, dinding domain dalam lapisan feromagnetik bergerak pada kira-kira 66 kilometer sesaat, iaitu kira-kira 100 kali lebih pantas daripada had laju yang difikirkan sebelum ini.
Dinding domain yang bergerak pada kelajuan sedemikian secara mendadak boleh menjejaskan cara data disimpan dan diproses, menyediakan memori yang lebih pantas, lebih stabil dan mengurangkan penggunaan tenaga peranti spintronics, seperti pemacu cakera keras, yang menggunakan putaran elektron dalam berbilang lapisan logam magnetik untuk disimpan, memproses atau menghantar maklumat.
"Tiada siapa menyangka tembok ini boleh bergerak sepantas ini kerana ia sepatutnya mencapai hadnya," kata Jangid. "Kedengarannya seperti pisang, tetapi ia benar." Ini adalah "pisang" kerana fenomena kerosakan Walker, yang mengatakan bahawa dinding domain hanya boleh ditolak setakat ini pada kelajuan tertentu sebelum ia rosak dan berhenti bergerak dengan berkesan. Walau bagaimanapun, kajian ini memberikan bukti bahawa laser boleh digunakan untuk memacu dinding domain pada kelajuan yang tidak diketahui sebelum ini.
Walaupun kebanyakan peranti peribadi seperti komputer riba dan telefon bimbit menggunakan pemacu kilat yang lebih pantas, pusat data menggunakan pemacu keras yang lebih murah dan perlahan. Walau bagaimanapun, setiap kali sedikit maklumat diproses atau dibalikkan, pemacu membakar banyak tenaga dengan menggunakan medan magnet untuk mengalirkan haba melalui gegelung. Jika pemacu boleh menggunakan denyutan laser pada lapisan magnet, peranti akan beroperasi pada voltan yang lebih rendah dan tenaga yang diperlukan untuk membalikkan bit akan dikurangkan dengan banyak.
Unjuran semasa mencadangkan bahawa ICT akan menyumbang 21 peratus daripada permintaan tenaga dunia menjelang 2030, menyumbang kepada perubahan iklim, satu penemuan yang diketengahkan oleh Jangid dan pengarang bersama dalam makalah bertajuk "Kelajuan Dinding Domain Melampau di bawah Pengujaan Optik Ultrafast," yang diterbitkan 19 Dis dalam jurnal Physical Review Letters. Penemuan itu datang pada masa pencarian untuk teknologi penjimatan tenaga adalah kritikal.
Untuk menjalankan eksperimen itu, Jangid dan rakan-rakannya, termasuk penyelidik dari Institut Sains dan Teknologi Negara; Universiti California, San Diego; Universiti Colorado, Colorado Springs; dan Universiti Stockholm, menggunakan Kemudahan Penyelidikan Pelbagai Disiplin untuk Radiasi Laser Elektron Bebas (MFRF), sumber laser elektron bebas yang terletak di Trieste, Itali.
"Laser elektron bebas adalah kemudahan gila, " kata Jangid. "Ia adalah tiub vakum sepanjang 2-batu di mana anda mengambil segelintir elektron, mempercepatkannya kepada kelajuan cahaya, dan akhirnya mengayunkannya ke sekeliling untuk menghasilkan sinar-X yang begitu terang sehingga jika anda tidak berhati-hati, anda sampel boleh diwapkan. Anggaplah ia memfokuskan semua cahaya matahari yang jatuh ke Bumi pada satu sen - itulah jumlah fluks foton yang kita ada pada laser elektron bebas.
Di Fermi, kumpulan itu menggunakan sinar-X untuk mengukur apa yang berlaku apabila magnet skala nano dengan pelbagai lapisan kobalt, besi dan nikel teruja oleh denyutan femtosaat. Femtosaat ditakrifkan sebagai 10 hingga tolak perlima belas saat atau satu per juta daripada per bilion saat.
"Terdapat lebih banyak femtosaat dalam sesaat daripada hari-hari di zaman alam semesta, " kata Jangid. "Ini adalah ukuran yang sangat kecil, sangat pantas, dan sukar untuk melihatnya."
Jangid sedang menganalisis data dan mendapati bahawa denyutan laser ultrafast inilah yang merangsang lapisan feromagnetik, menyebabkan dinding domain bergerak. Berdasarkan seberapa pantas dinding domain ini bergerak, kajian mencadangkan bahawa inilaser ultra cepatdenyutan boleh menukar bit maklumat yang disimpan kira-kira 1,000 kali lebih pantas daripada medan magnet atau kaedah berasaskan arus putaran yang digunakan hari ini.
Teknik ini jauh dari praktikal kerana laser semasa menggunakan banyak kuasa. Walau bagaimanapun, Jangid mengatakan bahawa proses yang serupa dengan yang digunakan oleh cakera padat untuk menyimpan maklumat menggunakan laser dan pemain CD untuk memainkan maklumat menggunakan laser boleh berfungsi pada masa hadapan.
Langkah seterusnya termasuk meneroka lebih lanjut sifat fizikal mekanisme yang membolehkan kelajuan dinding domain ultrapantas melebihi had yang diketahui sebelum ini, serta pengimejan gerakan dinding domain. Penyelidikan ini akan diteruskan di UC Davis di bawah kepimpinan Kukreja. Jangid kini menjalankan penyelidikan serupa di Sumber Cahaya Synchrotron Nasional 2 di Makmal Kebangsaan Brookhaven.
"Terdapat banyak aspek fenomena ultrafast yang baru kita mula fahami," kata Jangid. "Saya tidak sabar-sabar untuk menangani beberapa soalan tertunggak yang boleh membuka kunci kemajuan transformatif dalam spintronics berkuasa rendah, penyimpanan data dan pemprosesan maklumat."
Membaca lebih lanjut di
