วัสดุแม่เหล็กทำลายสถิติการสลับสถานะที่เร็วที่สุด

นักวิจัยจาก CRANN (ศูนย์วิจัยโครงสร้างนาโนและอุปกรณ์นาโนแบบปรับตัวได้) และคณะฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยทรินิตี้ คอลเลจ ดับลิน ประกาศในวันนี้ว่าวัสดุแม่เหล็กสิ่งที่พัฒนาขึ้นที่ศูนย์แห่งนี้แสดงให้เห็นถึงการสลับสนามแม่เหล็กที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยบันทึกไว้

ทีมวิจัยใช้ระบบเลเซอร์เฟมโตวินาทีในห้องปฏิบัติการวิจัยโฟโตนิกส์ที่ CRANN เพื่อสลับและสลับทิศทางแม่เหล็กของวัสดุของพวกเขาอีกครั้งในเวลาเพียงเศษหนึ่งล้านล้านวินาที ซึ่งเร็วกว่าสถิติเดิมถึงหกเท่า และเร็วกว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลถึงหนึ่งร้อยเท่า

การค้นพบนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวัสดุดังกล่าวสำหรับคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงและระบบจัดเก็บข้อมูลรุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูง

นักวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างความเร็วในการสลับสถานะที่ไม่เคยมีมาก่อนในโลหะผสมที่เรียกว่า MRG ซึ่งกลุ่มวิจัยได้สังเคราะห์ขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 2014 จากแมงกานีส รูทีเนียม และแกลเลียม ในการทดลอง ทีมงานได้ฉายแสงเลเซอร์สีแดงไปยังฟิล์มบางของ MRG ทำให้สามารถส่งพลังงานระดับเมกะวัตต์ได้ในเวลาน้อยกว่าหนึ่งในพันล้านวินาที

การถ่ายเทความร้อนทำให้ทิศทางแม่เหล็กของ MRG เปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงครั้งแรกนี้เกิดขึ้นเร็วมากจนเหลือเชื่อ เพียงแค่หนึ่งในสิบของพิโควินาที (1 พิโควินาที = หนึ่งในล้านล้านของวินาที) แต่ที่สำคัญกว่านั้น ทีมวิจัยค้นพบว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนทิศทางกลับไปได้อีกครั้งภายใน 10 ในล้านล้านของวินาที ซึ่งเป็นการเปลี่ยนทิศทางของแม่เหล็กกลับที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยสังเกตมา

ผลงานของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในสัปดาห์นี้ในวารสารฟิสิกส์ชั้นนำ Physical Review Letters

การค้นพบนี้อาจเปิดทางใหม่ ๆ สำหรับการคำนวิดและเทคโนโลยีสารสนเทศที่ล้ำสมัย เนื่องจากความสำคัญของ...วัสดุแม่เหล็กวัสดุแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมนี้ ซ่อนอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากมายของเรา รวมถึงศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่เป็นหัวใจสำคัญของอินเทอร์เน็ต วัสดุแม่เหล็กทำหน้าที่อ่านและจัดเก็บข้อมูล การระเบิดของข้อมูลในปัจจุบันสร้างข้อมูลและใช้พลังงานมากกว่าที่เคยเป็นมา การค้นหาวิธีการใหม่ๆ ที่ประหยัดพลังงานในการจัดการข้อมูล และวัสดุที่เหมาะสม จึงเป็นประเด็นวิจัยที่สำคัญทั่วโลก

หัวใจสำคัญของความสำเร็จของทีมทรินิตี้คือความสามารถในการสลับสถานะได้อย่างรวดเร็วเป็นพิเศษโดยไม่ต้องใช้สนามแม่เหล็ก การสลับสถานะแม่เหล็กแบบดั้งเดิมนั้นต้องใช้แม่เหล็กอีกตัว ซึ่งมีต้นทุนทั้งด้านพลังงานและเวลา แต่ด้วย MRG การสลับสถานะทำได้ด้วยพัลส์ความร้อน โดยใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาเฉพาะตัวของวัสดุกับแสง

นักวิจัยจากทรินิตี้ ฌอง เบสบาส และ คาร์สเตน โรด กล่าวถึงแนวทางการวิจัยด้านหนึ่ง:

-วัสดุแม่เหล็กโดยธรรมชาติแล้ว MRG มีหน่วยความจำที่สามารถนำมาใช้ในการประมวลผลเชิงตรรกะได้ ที่ผ่านมา การเปลี่ยนจากสถานะแม่เหล็กหนึ่ง ('ตรรกะ 0') ไปยังอีกสถานะหนึ่ง ('ตรรกะ 1') นั้นใช้พลังงานสูงและช้าเกินไป งานวิจัยของเราได้แก้ไขปัญหาเรื่องความเร็วโดยแสดงให้เห็นว่าเราสามารถเปลี่ยนสถานะของ MRG จากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได้ภายใน 0.1 พิโควินาที และที่สำคัญคือ การเปลี่ยนสถานะครั้งที่สองสามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาเพียง 10 พิโควินาทีต่อมา ซึ่งสอดคล้องกับความถี่ในการทำงานประมาณ 100 กิกะเฮิร์ตซ์—เร็วกว่าสิ่งใดๆ ที่เคยสังเกตมาก่อน

“การค้นพบนี้เน้นให้เห็นถึงความสามารถพิเศษของ MRG ของเราในการเชื่อมโยงแสงและสปินได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เราสามารถควบคุมสนามแม่เหล็กด้วยแสง และแสงด้วยสนามแม่เหล็กได้ในระยะเวลาที่ไม่สามารถทำได้มาก่อน”

ศาสตราจารย์ไมเคิล โคอี จากคณะฟิสิกส์และ CRANN ของมหาวิทยาลัยทรินิตี้ กล่าวถึงผลงานของทีมว่า “ในปี 2014 เมื่อทีมของผมและผมประกาศครั้งแรกว่าเราได้สร้างโลหะผสมชนิดใหม่ที่ประกอบด้วยแมงกานีส รูทีเนียม และแกลเลียม ซึ่งรู้จักกันในชื่อ MRG เราไม่เคยคาดคิดมาก่อนว่าวัสดุนี้จะมีศักยภาพทางด้านแม่เหล็กไฟฟ้าที่น่าทึ่งเช่นนี้”

“การสาธิตนี้จะนำไปสู่แนวคิดอุปกรณ์ใหม่ที่ใช้แสงและแม่เหล็ก ซึ่งอาจได้รับประโยชน์จากความเร็วและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก และอาจนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์อเนกประสงค์เพียงชิ้นเดียวที่มีฟังก์ชันหน่วยความจำและตรรกะรวมกันได้ในที่สุด นี่เป็นความท้าทายอย่างยิ่ง แต่เราได้แสดงให้เห็นถึงวัสดุที่อาจทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ เราหวังว่าจะได้รับการสนับสนุนด้านเงินทุนและความร่วมมือจากภาคอุตสาหกรรมเพื่อดำเนินงานของเราต่อไป”