Данные по жесткому диску хранятся, щелкая маленькими магнитными областями. Исследователи от Института Пола Шеррера, PSI и Швейцарская высшая техническая школа Цюриха теперь изменили магнитную договоренность в материале намного быстрее, чем, возможны с сегодняшними жесткими дисками. Исследователи использовали новую технику, где электрическое поле вызывает эти изменения, в отличие от магнитных полей, обычно используемых в потребительских устройствах.
Этот метод использует новый вид материала, где магнитные и электрические свойства соединены. Примененный в будущих устройствах, у этого вида сильного взаимодействия между магнитными и электрическими свойствами могут быть многочисленные преимущества. Например, электрическая область может быть произведена более легко в устройстве, чем магнитное.В эксперименте изменения в магнитной договоренности произошли в пикосекунде (одна триллионная секунды) и могли наблюдаться со вспышками рентгена в американском лазере рентгена LCLS.
Вспышки так коротки, что Вы можете фактически видеть, как намагничивание изменяется от одного изображения до следующего – подобный тому, как мы в состоянии захватить движение спортсмена с нормальной камерой в серии изображений с короткой выдержкой. В будущем такие эксперименты должны также быть возможными в новой экспериментальной установке PSI, лазер рентгена SwissFEL.
Результаты будут изданы в журнале Science. Они кажутся онлайн перед печатью в Science Express 6 марта.Одна общепринятая методика хранения данных использует материалы, в которых различные магнитные области могут быть ориентированы в различных направлениях.
Другими словами, крошечные элементарные магниты в материале выровнены вдоль двух возможных направлений, который позволяет одному биту быть спасенным в материале. Немного – самая маленькая единица информации, для которой есть две возможности, часто называемые 0 и 1. В устройстве хранения данных они соответствуют двум различным магнитным направлениям. В очень твердом двигателе, который должен сохранить большой объем информации, есть много небольших районов, которые соответствуют единственным битам. Чтобы изменить информацию о жестком диске, направлением магнетизма в одной области нужно щелкнуть.
В современных потребительских устройствах это достигнуто, используя маленькое магнитное поле.Электрическое поле может быть произведено в небольшом пространстве более легко, чем магнитное поле, что означает, что в принципе устройства хранения данных меньшего размера могут быть построены, если магнетизм переключен электрическими полями. Сильная связь между магнитными и электрическими свойствами показана так называемыми multiferroic материалами, которые были одной из самых горячих тем в исследовании материалов в течение многих лет. Исследователи от Института Пола Шеррера PSI и Швейцарская высшая техническая школа Цюриха теперь изучили материальный TbMnO3 и продемонстрировали, что его магнитная договоренность может быть изменена электрическим полем в течение пикосекунд (10-12 с = миллионный из секунды), который значительно короче, чем время, которое требуется для сегодняшних жестких дисков, которые будут переключены. «Это показывает, что multiferroic материалы могут быть переключены достаточно быстро электрически для них, чтобы использоваться в магнитных устройствах хранения данных», объясняет Ерс Стоб, лидер исследовательской группы в PSI и одном из наблюдателей научно-исследовательской работы. «У электрического переключения могли быть многочисленные преимущества.
Чтобы произвести магнитное поле, Вам нужна катушка через который электрические токи. Электрическое поле может быть произведено без тока.«Материал, который мы изучили, не может использоваться в технических устройствах – Вам нужны очень низкие температуры и сильные электрические области, чтобы наблюдать соответствующие явления.
Однако основной результат, вероятно, также запрашивает материалы, которые более подходят для заявлений и будут, по-видимому, состоять из комбинации тонких слоев различных материалов».Выдержка: 0.000 000 000 000 1 секунда
Эксперимент основан на взаимодействии между пульсировавшим светом, произведенным двумя лазерами – свет терагерца, произведенный лазером, который может легко вписаться в лабораторию и радиацию от лазера рентгена Linac Coherent Light Source (LCLS), крупномасштабная экспериментальная установка, расположенная в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния, которая составляет примерно три километра в длине. В эксперименте материал был освещен короткими вспышками света частоты терагерца, которые были только несколькими пикосекундами долго.
Свет состоит из электрического и магнитного поля, которые периодически становятся более сильными и более слабыми. Вспышки терагерца были так коротки, что электрические поля в них только смогли выполнить несколько колебаний. С экспериментами в LCLS исследователи смогли продемонстрировать, что магнитная договоренность была искажена вспышкой света и – с небольшой задержкой – это искажение следовало за колебанием электрической области во вспышке. Магнитный компонент света был слишком слаб, чтобы влиять на магнитную структуру.
Лазер рентгена производит очень короткий (100 фемтосекунд = 0.000 000 000 000 1 секунда) и интенсивные вспышки света рентгена, которые настолько короче, чем вспышка терагерца. Это позволяет рентгену измерять магнитное искажение вдоль различных стадий его движения, подобного тому, как камера с быстрой скоростью затвора захватывает неподвижные изображения быстрых движений. Сегодня, LCLS – одно из двух средств, где такие эксперименты возможны. В будущем они также будут возможны в лазере рентгена SwissFEL, который в настоящее время находится в процессе строительства в Институте Пола Шеррера. «Эксперимент как это может только быть проведен в лазере рентгена, потому что только импульсы от лазера рентгена показывают магнитный заказ и достаточно коротки для Вас, чтобы следовать за хронологическими последовательностями», объясняет Стоб.
Наклоненные элементарные магнитыУ магнитных материалов, которые могут использоваться, чтобы хранить данные, могут быть различные магнитные меры. В сегодняшних жестких дисках магнитные области устроены ферромагнитным образом, что означает, что элементарные магниты или, чтобы использовать технический термин, магнитные моменты все указывают в том же самом направлении в области, кодирующей один бит.
В материале, изученном в эксперименте, моменты устроены в рядах, но таким способом, которым два соседних момента немного вращаются друг относительно друга в противоположность тому, чтобы быть параллельным. Если Вы двигаетесь с одного момента в следующее, направление моментов продолжает поворачиваться, и в целом последовательность магнитных моментов формирует cycloid.
Вообще говоря, есть два направления, в которых моменты могут повернуться, по часовой стрелке и против часовой стрелки – и они могли соответствовать двум ценностям немного. Чтобы измениться между «0» и «1», магнитные моменты должны были бы изменить поворачивающееся направление в последовательности, которая эквивалентна вращению всей последовательности магнитных моментов 180 градусами.Положительный и отрицательный – погашение друг от друга
У multiferroic материала также есть другая собственность: электрическая поляризация, что означает, что положительные и отрицательные заряды перемещены немного друг против друга. Интерьер материала построен из атомов, которые зафиксировали положения в трехмерной структуре.
Как есть столько же отрицательных зарядов (электроны) сколько положительные (атомные ядра) в атомах, весь материал электрически нейтрален. Некоторые электроны, однако, не связаны твердо с атомными ядрами. Эти электроны могут быть перемещены относительно атомных ядер, что означает, что одна сторона материала положительно обвинена, другой отрицательно. Другими словами, материал электрически поляризован.
В повседневной жизни электрически поляризованные материалы, прежде всего, известны благодаря пьезоэлектрическому эффекту, используемому, чтобы произвести искры в зажигалках или звук в громкоговорителях, например.Электрически и магнитно связанныйВ TbMnO3 электрическая поляризация связана с магнитной договоренностью, что означает это, если магнитный поворот моментов в одном направлении, это всегда соответствует выравниванию электрической поляризации; если Вы полностью изменяете поляризацию, вращательное направление магнитных моментов также оборачивается. Исследователи изучили это сцепление в своем эксперименте.
Используя переменное электрическое поле пульса терагерца, они влияли на электрическую поляризацию и наблюдали степень, до которой магнитная договоренность следовала за переменной областью. Хотя электрическое поле было слишком слабо, чтобы на самом деле повернуть последовательность магнитных моментов 180 градусами, ученые смогли заметить, что это было превращено приблизительно четырьмя градусами вовремя с электрической областью. «Эта процедура также важна для возможных заявлений», объясняет Тереза Кубэка, докторант в Ultrafast Dynamics Group в Швейцарской высшей технической школе Цюриха и первом авторе статьи. «Пульс терагерца разработан таким способом, которым он влияет на магнитную договоренность только этим конкретным способом.
Если бы магнитная договоренность в устройстве могла бы быть изменена так определенно, намного меньше энергии было бы потрачено впустую, и материал не нагреется так же».Измерение точностиЭто – первый раз, когда было возможно измерить такое быстрое изменение в multiferroic материале так точно. Угол, которым были превращены магнитные моменты, был определен, используя короткие вспышки от лазера рентгена LCLS в рассеивающемся эксперименте.
Это включило отправку луча рентгена через изученный образец и наблюдение направлений, в которых свет рентгена был отражен образцом. В случае этого материала есть направления, в которых свет отражен строением атома и другими, где отклонение вызвано магнитными моментами. Если магнитная договоренность изменена, интенсивность отклоненных изменений света рентгена. В эксперименте исследователи измерили интенсивность отклоненного луча рентгена в разное время для отобранного направления.
Тогда они вычислили, как магнитные моменты реагируют на электрическое поле во вспышке терагерца.Экспериментальные проблемы«Одна из проблем эксперимента состояла в том, чтобы создать вспышки терагерца с правильной частотой и гарантировать, что достаточно их интенсивности достигает образца. Такие импульсы не были созданы непосредственно лазером, а скорее при помощи специальных органических кристаллов, пораженных лазерными импульсами с другой частотой.
В Швейцарской высшей технической школе Цюриха мы также работаем над средствами, которые производят импульсы терагерца и сотрудничающий со специалистами от PSI и LCLS, мы смогли приспособить лазеры, доступные в LCLS к потребностям нашего эксперимента», говорит Кубэка.