Данные на жестком диске хранятся путем переворачивания небольших магнитных доменов. Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и ETH Zurich теперь изменили магнитное расположение материала намного быстрее, чем это возможно с сегодняшними жесткими дисками. Исследователи использовали новую технику, при которой электрическое поле вызывает эти изменения, в отличие от магнитных полей, обычно используемых в потребительских устройствах.
В этом методе используется новый вид материала, в котором сочетаются магнитные и электрические свойства. Такое сильное взаимодействие между магнитными и электрическими свойствами, применяемое в будущих устройствах, может иметь множество преимуществ. Например, в устройстве легче создать электрическое поле, чем магнитное.В эксперименте изменения в магнитном расположении происходили в пределах пикосекунды (триллионной секунды) и могли наблюдаться с помощью рентгеновских вспышек на американском рентгеновском лазере LCLS.
Вспышки настолько короткие, что вы можете практически увидеть, как намагниченность изменяется от одного изображения к другому — аналогично тому, как мы можем запечатлеть движение спортсмена с помощью обычной камеры в серии изображений с короткой выдержкой. В будущем подобные эксперименты станут возможными на новом исследовательском центре PSI — рентгеновском лазере SwissFEL. Результаты будут опубликованы в журнале Science. Они появятся в Интернете перед печатью в Science Express 6 марта.
В одном из распространенных методов хранения данных используются материалы, в которых разные магнитные домены могут быть ориентированы в разных направлениях. Другими словами, крошечные элементарные магниты внутри материала выровнены по двум возможным направлениям, что позволяет сохранить один бит в материале. Бит — это наименьшая единица информации, для которой есть две возможности, часто обозначаемые как 0 и 1. В запоминающем устройстве они соответствуют двум различным магнитным направлениям.
На реальном жестком диске, который должен хранить большой объем информации, есть много небольших областей, соответствующих отдельным битам. Чтобы изменить информацию на жестком диске, необходимо изменить направление магнетизма в одном домене. В современных потребительских устройствах это достигается с помощью небольшого магнитного поля.
Электрическое поле может быть создано в небольшом пространстве легче, чем магнитное поле, а это означает, что, в принципе, можно сконструировать меньшие запоминающие устройства, если магнетизм переключается электрическими полями. Сильную связь между магнитными и электрическими свойствами демонстрируют так называемые мультиферроидные материалы, которые в течение ряда лет были одной из самых горячих тем в исследованиях материалов. Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и ETH Zurich теперь изучили материал TbMnO3 и продемонстрировали, что его магнитное расположение может быть изменено электрическим полем за несколько пикосекунд (10-12 с = одна триллионная секунды), что значительно короче, чем время, необходимое для переключения современных жестких дисков. «Это показывает, что мультиферроидные материалы можно переключать электрически достаточно быстро, чтобы их можно было использовать в магнитных запоминающих устройствах», — объясняет Урс Штауб, руководитель исследовательской группы PSI и один из руководителей исследовательских проектов. «Электрическое переключение может иметь множество преимуществ. Чтобы создать магнитное поле, вам нужна катушка, через которую протекает ток.
Электрическое поле может создаваться без тока.«Изученный нами материал нельзя использовать в технических устройствах — вам нужны очень низкие температуры и сильные электрические поля, чтобы наблюдать соответствующие явления. Однако основной результат, вероятно, также применим к материалам, которые более подходят для применения и предположительно будут состоять сочетания тонких слоев различных материалов ».
Время экспозиции: 0,000 000 000 000 1 секундаЭксперимент основан на взаимодействии между импульсным светом, создаваемым двумя лазерами — терагерцовым светом, генерируемым лазером, который легко помещается в лаборатории, и излучением рентгеновского лазерного источника когерентного света линейного ускорителя (LCLS), большого масштабный исследовательский центр, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния, примерно три километра в длину. В эксперименте материал освещался короткими вспышками света терагерцового диапазона длительностью всего несколько пикосекунд. Свет состоит из электрического и магнитного полей, которые периодически становятся сильнее и слабее.
Вспышки терагерцового диапазона были настолько короткими, что электрические поля в них могли совершать лишь несколько колебаний. С помощью экспериментов на LCLS исследователи смогли продемонстрировать, что магнитное устройство было искажено вспышкой света и — с небольшой задержкой — это искажение следовало за колебаниями электрического поля внутри вспышки.
Магнитная составляющая света была слишком слабой, чтобы влиять на магнитную структуру. Рентгеновский лазер генерирует очень короткие (100 фемтосекунд = 0,000 000 000 000 1 секунда) и интенсивные вспышки рентгеновского излучения, которые намного короче терагерцовой вспышки. Это позволяет рентгеновскому излучению измерять магнитное искажение на разных этапах его движения, подобно тому, как камера с короткой выдержкой фиксирует неподвижные изображения быстрых движений. Сегодня LCLS — одна из двух установок, на которых возможны такие эксперименты.
В будущем они также будут возможны на рентгеновском лазере SwissFEL, который в настоящее время строится в Институте Пауля Шеррера. «Подобный эксперимент может быть проведен только на рентгеновском лазере, потому что только импульсы рентгеновского лазера показывают магнитный порядок и достаточно короткие, чтобы вы могли следить за хронологической последовательностью», — объясняет Штауб.Наклонные элементарные магниты
Магнитные материалы, которые можно использовать для хранения данных, могут иметь различное магнитное расположение. В современных жестких дисках магнитные области расположены ферромагнитно, что означает, что элементарные магниты или, если использовать технический термин, магнитные моменты, все направлены в одном направлении в пределах области, кодирующей один бит. В материале, изучаемом в эксперименте, моменты расположены рядами, но таким образом, что два соседних момента слегка повернуты относительно друг друга, а не параллельны.
Если вы переходите от одного момента к другому, направление моментов продолжает вращаться, и в целом последовательность магнитных моментов образует циклоиду. Вообще говоря, есть два направления, в которых моменты могут вращаться, по и против часовой стрелки — и они могут соответствовать двум значениям бита. Для переключения между «0» и «1» магнитные моменты должны изменить направление поворота в последовательности, что эквивалентно повороту всей последовательности магнитных моментов на 180 градусов.
Положительный и отрицательный — смещение друг от другаУ мультиферроика есть еще одно свойство: электрическая поляризация, что означает, что положительный и отрицательный заряды слегка смещены друг относительно друга. Внутренняя часть материала состоит из атомов, занимающих фиксированные позиции в трехмерной структуре.
Поскольку отрицательных зарядов (электронов) в атомах столько же, сколько положительных (атомных ядер), весь материал электрически нейтрален. Однако некоторые электроны не связаны жестко с ядрами атомов. Эти электроны могут смещаться относительно ядер атомов, что означает, что одна сторона материала заряжена положительно, а другая — отрицательно.
Другими словами, материал электрически поляризован. В повседневной жизни электрически поляризованные материалы известны прежде всего благодаря пьезоэлектрическому эффекту, который используется, например, для создания искр в зажигалках или звука в громкоговорителях.Электрически и магнитно связаны
В TbMnO3 электрическая поляризация связана с магнитным устройством, а это означает, что если магнитные моменты поворачиваются в одном направлении, это всегда соответствует выравниванию электрической поляризации; если вы измените поляризацию на противоположное, направление вращения магнитных моментов также изменится. Исследователи изучали эту связь в своем эксперименте. Используя переменное электрическое поле терагерцового импульса, они влияли на электрическую поляризацию и наблюдали, насколько магнитное устройство следует за переменным полем. Хотя электрическое поле было слишком слабым, чтобы на самом деле повернуть последовательность магнитных моментов на 180 градусов, ученые смогли заметить, что оно поворачивается примерно на четыре градуса во времени с электрическим полем. «Эта процедура также важна для возможных приложений», — объясняет Тереза Кубацка, докторант в группе сверхбыстрой динамики ETH Zurich и первый автор статьи. «Терагерцовый импульс разработан таким образом, что он влияет на магнитное устройство только определенным образом.
Если бы магнитное устройство в устройстве могло быть изменено так определенно, было бы потрачено гораздо меньше энергии, и материал не будет нагреваться так сильно. . "Прецизионное измерениеВпервые стало возможным с такой точностью измерить столь быстрое изменение в мультиферроидном материале. Угол поворота магнитных моментов определялся с использованием коротких вспышек рентгеновского лазера LCLS в эксперименте по рассеянию.
Он включал пропускание рентгеновского луча через исследуемый образец и наблюдение за направлениями, в которых рентгеновский свет отклонялся образцом. В случае этого материала есть направления, в которых свет отклоняется атомной структурой, и другие направления, в которых отклонение вызывается магнитными моментами. Если магнитное расположение изменяется, интенсивность отклоненного рентгеновского излучения изменяется. В ходе эксперимента исследователи измерили интенсивность отклоненного рентгеновского луча в разное время для выбранного направления.
Затем они рассчитали, как магнитные моменты реагируют на электрическое поле в пределах терагерцовой вспышки.Экспериментальные задачи«Одна из задач эксперимента заключалась в том, чтобы создать терагерцовые вспышки с правильной частотой и гарантировать, что достаточное количество их интенсивности достигнет образца. Такие импульсы создавались не напрямую лазером, а с помощью специальных органических кристаллов, поражаемых лазерные импульсы с другой частотой.
В ETH Zurich мы также работаем над установками, которые генерируют терагерцовые импульсы, и работая вместе со специалистами из PSI и LCLS, мы смогли адаптировать лазеры, доступные в LCLS, к потребностям нашего эксперимента », — говорит Кубацка.