Forskare vid CRANN (Centrum för forskning om adaptiva nanostrukturer och nanodevices) och School of Physics vid Trinity College Dublin tillkännagav idag att enmagnetiskt materialsom utvecklats vid centret visar den snabbaste magnetiska omkopplingen som någonsin registrerats.
Teamet använde femtosekundlasersystem i Photonics Research Laboratory på CRANN för att växla och sedan växla om den magnetiska orienteringen hos sitt material på biljondels sekund, sex gånger snabbare än det tidigare rekordet och hundra gånger snabbare än klockhastigheten för en persondator.
Denna upptäckt visar materialets potential för en ny generation av energieffektiva ultrasnabba datorer och datalagringssystem.
Forskarna uppnådde sina exempellösa kopplingshastigheter i en legering som kallas MRG, som först syntetiserades av gruppen 2014 från mangan, rutenium och gallium. I experimentet träffade teamet tunna filmer av MRG med utbrott av rött laserljus, vilket levererade megawatt effekt på mindre än en miljarddels sekund.
Värmeöverföringen ändrar den magnetiska orienteringen hos MRG. Det tar en ofattbart snabb tiondels pikosekund att uppnå denna första förändring (1 ps = en biljondels sekund). Men, ännu viktigare, upptäckte teamet att de kunde ändra orienteringen tillbaka igen 10 biljondels sekund senare. Detta är den snabbaste omställningen av en magnets orientering som någonsin observerats.
Deras resultat publiceras denna vecka i den ledande fysiktidskriften Physical Review Letters.
Upptäckten skulle kunna öppna nya vägar för innovativ databehandling och informationsteknik, med tanke på vikten avmagnetiskt materials i den här branschen. Dolda i många av våra elektroniska enheter, såväl som i de storskaliga datacenterna i hjärtat av internet, läser och lagrar magnetiska material data. Den nuvarande informationsexplosionen genererar mer data och förbrukar mer energi än någonsin tidigare. Att hitta nya energieffektiva sätt att manipulera data, och material som matchar, är en global forskningsfråga.
Nyckeln till Trinity-teamens framgång var deras förmåga att uppnå ultrasnabb omkoppling utan något magnetfält. Traditionell omkoppling av en magnet använder en annan magnet, vilket kostar både energi och tid. Med MRG uppnåddes omkopplingen med en värmepuls, som utnyttjade materialets unika interaktion med ljus.
Trinity-forskarna Jean Besbas och Karsten Rode diskuterar ett forskningsinslag:
"Magnetiskt materials har i sig minne som kan användas för logik. Hittills har det varit för energikrävande och för långsamt att växla från ett magnetiskt tillstånd 'logiskt 0' till ett annat 'logiskt 1'. Vår forskning tar upp hastighet genom att visa att vi kan växla MRG från ett tillstånd till ett annat på 0,1 pikosekunder och, avgörande, att en andra växling kan följa bara 10 pikosekunder senare, vilket motsvarar en driftsfrekvens på ~100 gigahertz – snabbare än något som observerats tidigare.
"Upptäckten belyser vår MRG:s speciella förmåga att effektivt koppla ljus och spinn så att vi kan kontrollera magnetism med ljus och ljus med magnetism på hittills ouppnåeliga tidsskalor."
Professor Michael Coey, vid Trinitys fysikskola och CRANN, kommenterade sitt teams arbete: ”År 2014, när mitt team och jag först tillkännagav att vi hade skapat en helt ny legering av mangan, rutenium och gallium, känd som MRG, misstänkte vi aldrig att materialet hade denna anmärkningsvärda magnetooptiska potential.”
”Denna demonstration kommer att leda till nya komponentkoncept baserade på ljus och magnetism som skulle kunna dra nytta av kraftigt ökad hastighet och energieffektivitet, kanske i slutändan för att förverkliga en enda universell komponent med kombinerad minnes- och logikfunktionalitet. Det är en enorm utmaning, men vi har visat ett material som kan göra det möjligt. Vi hoppas kunna säkra finansiering och samarbete inom industrin för att fortsätta vårt arbete.”
Publiceringstid: 5 maj 2021