วัสดุแม่เหล็กทำลายสถิติการสลับที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

นักวิจัยจาก CRANN (ศูนย์วิจัยโครงสร้างนาโนแบบปรับตัวและอุปกรณ์นาโน) และคณะฟิสิกส์ที่ Trinity College Dublin ประกาศในวันนี้ว่าวัสดุแม่เหล็กพัฒนาขึ้นที่ศูนย์สาธิตการสลับแม่เหล็กที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยบันทึกไว้

ทีมงานได้ใช้ระบบเลเซอร์เฟมโตวินาทีในห้องปฏิบัติการวิจัยโฟโตนิกส์ที่ CRANN เพื่อสลับและสลับทิศทางแม่เหล็กของวัสดุอีกครั้งในเวลาเพียงล้านล้านวินาที เร็วกว่าสถิติเดิมถึง 6 เท่า และเร็วกว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลถึง 100 เท่า

การค้นพบนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวัสดุสำหรับคอมพิวเตอร์และระบบจัดเก็บข้อมูลความเร็วสูงประหยัดพลังงานรุ่นใหม่

นักวิจัยประสบความสำเร็จในการเพิ่มความเร็วในการสลับที่ไม่เคยมีมาก่อนในโลหะผสมที่เรียกว่า MRG ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกโดยกลุ่มนักวิจัยในปี 2014 จากแมงกานีส รูทีเนียม และแกลเลียม ในการทดลองนี้ ทีมวิจัยได้ยิงฟิล์มบางของ MRG ด้วยแสงเลเซอร์สีแดงเป็นชุดๆ ซึ่งให้พลังงานได้หลายเมกะวัตต์ภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งในพันล้านวินาที

การถ่ายเทความร้อนจะเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กของ MRG การเปลี่ยนแปลงครั้งแรกนี้ใช้เวลาเพียงเศษเสี้ยวของพิโควินาที (1 ps = 1 ในล้านล้านวินาที) ซึ่งรวดเร็วอย่างเหลือเชื่อ แต่ที่สำคัญกว่านั้น ทีมวิจัยค้นพบว่าพวกเขาสามารถสลับทิศทางกลับได้อีกครั้งในเวลาเพียง 1 ในล้านล้านวินาทีต่อมา นี่ถือเป็นการสลับทิศทางแม่เหล็กที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยพบมา

ผลการวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารฟิสิกส์ชั้นนำ Physical Review Letters ในสัปดาห์นี้

การค้นพบนี้อาจเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับการประมวลผลและเทคโนโลยีสารสนเทศเชิงนวัตกรรม เนื่องจากความสำคัญของวัสดุแม่เหล็กในอุตสาหกรรมนี้ วัสดุแม่เหล็กซ่อนอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากของเรา รวมถึงในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่เป็นศูนย์กลางของอินเทอร์เน็ต วัสดุแม่เหล็กทำหน้าที่อ่านและจัดเก็บข้อมูล กระแสข้อมูลมหาศาลในปัจจุบันก่อให้เกิดข้อมูลมากขึ้นและใช้พลังงานมากขึ้นกว่าที่เคยเป็นมา การค้นหาวิธีการใหม่ๆ ที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในการจัดการข้อมูลและวัสดุต่างๆ ถือเป็นสิ่งที่งานวิจัยทั่วโลกให้ความสำคัญ

กุญแจสู่ความสำเร็จของทีม Trinity คือความสามารถในการเปลี่ยนวัสดุได้รวดเร็วเป็นพิเศษโดยไม่ต้องใช้สนามแม่เหล็ก การสลับวัสดุแบบดั้งเดิมจะใช้แม่เหล็กอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งต้องแลกมาด้วยทั้งพลังงานและเวลา แต่ด้วย MRG การสลับวัสดุทำได้โดยใช้พัลส์ความร้อน ซึ่งใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาระหว่างวัสดุกับแสงอันเป็นเอกลักษณ์

นักวิจัยของ Trinity Jean Besbas และ Karsten Rode หารือถึงแนวทางหนึ่งของการวิจัย:

-วัสดุแม่เหล็กs มีหน่วยความจำโดยธรรมชาติที่สามารถนำไปใช้งานตรรกะได้ จนถึงขณะนี้ การสลับจากสถานะแม่เหล็กหนึ่ง 'ตรรกะ 0' ไปยังอีกสถานะหนึ่ง 'ตรรกะ 1' ยังคงใช้พลังงานมากเกินไปและช้าเกินไป งานวิจัยของเรามุ่งเน้นไปที่ความเร็วโดยแสดงให้เห็นว่าเราสามารถสลับ MRG จากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได้ภายใน 0.1 พิโควินาที และที่สำคัญคือ การสลับครั้งที่สองสามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาเพียง 10 พิโควินาทีต่อมา ซึ่งสอดคล้องกับความถี่การทำงานประมาณ 100 กิกะเฮิรตซ์ ซึ่งเร็วกว่าสิ่งที่เคยพบเห็นมาก่อน

“การค้นพบนี้เน้นย้ำถึงความสามารถพิเศษของ MRG ของเราในการเชื่อมโยงแสงและการหมุนอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อที่เราจะสามารถควบคุมแม่เหล็กด้วยแสงและแสงด้วยแม่เหล็กได้ในช่วงเวลาที่ไม่เคยทำได้มาก่อน”

เมื่อแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับงานของทีม ศาสตราจารย์ Michael Coey จากคณะฟิสิกส์ของ Trinity และ CRANN กล่าวว่า “ในปี 2014 เมื่อทีมของฉันและฉันประกาศเป็นครั้งแรกว่าเราได้สร้างโลหะผสมใหม่ของแมงกานีส รูทีเนียม และแกลเลียม ซึ่งเรียกว่า MRG เราไม่เคยสงสัยเลยว่าวัสดุดังกล่าวจะมีศักยภาพทางแมกนีโตออปติกที่น่าทึ่งนี้”

การสาธิตนี้จะนำไปสู่แนวคิดอุปกรณ์ใหม่ๆ ที่ขับเคลื่อนด้วยแสงและแม่เหล็ก ซึ่งอาจได้รับประโยชน์จากความเร็วและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งท้ายที่สุดแล้วอาจนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์อเนกประสงค์เพียงหนึ่งเดียวที่ผสานรวมหน่วยความจำและฟังก์ชันลอจิกเข้าด้วยกัน แม้จะถือเป็นความท้าทายครั้งใหญ่ แต่เราได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่อาจทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ เราหวังว่าจะได้รับเงินทุนและความร่วมมือจากภาคอุตสาหกรรมเพื่อสานต่อผลงานของเราต่อไป