วัสดุแม่เหล็กทำลายสถิติการสลับที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

นักวิจัยที่ CRANN (ศูนย์วิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างนาโนแบบปรับตัวและอุปกรณ์นาโน) และโรงเรียนฟิสิกส์ที่ Trinity College Dublin ได้ประกาศในวันนี้ว่าวัสดุแม่เหล็กพัฒนาขึ้นที่ศูนย์แสดงให้เห็นถึงการสลับแม่เหล็กที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยมีมา

ทีมงานใช้ระบบเลเซอร์ femtosecond ในห้องปฏิบัติการวิจัยโฟโตนิกส์ที่ CRANN เพื่อสลับและเปลี่ยนการวางแนวแม่เหล็กของวัสดุเป็นล้านล้านวินาที ซึ่งเร็วกว่าบันทึกก่อนหน้าหกเท่า และเร็วกว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาถึงร้อยเท่า คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล

การค้นพบนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวัสดุสำหรับคอมพิวเตอร์และระบบจัดเก็บข้อมูลความเร็วสูงรุ่นใหม่ที่ประหยัดพลังงาน

นักวิจัยประสบความสำเร็จในการสลับความเร็วอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในโลหะผสมที่เรียกว่า MRG ซึ่งกลุ่มนี้สังเคราะห์ครั้งแรกในปี 2014 จากแมงกานีส รูทีเนียม และแกลเลียมในการทดลอง ทีมงานได้ชนแผ่นฟิล์มบางๆ ของ MRG ด้วยการระเบิดของแสงเลเซอร์สีแดง ซึ่งส่งพลังงานเมกะวัตต์ได้ในเวลาไม่ถึงหนึ่งในพันล้านวินาที

การถ่ายเทความร้อนจะเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กของ MRGการเปลี่ยนแปลงครั้งแรกนี้ใช้เวลาถึงหนึ่งในสิบของพิโควินาทีอย่างรวดเร็วจนเกินจินตนาการ (1 พิโควินาที = หนึ่งล้านล้านวินาที)แต่ที่สำคัญกว่านั้น ทีมงานค้นพบว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนทิศทางกลับมาอีกครั้งใน 10 ล้านล้านวินาทีในภายหลังนี่เป็นการเปลี่ยนทิศทางของแม่เหล็กที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยมีมา

ผลลัพธ์ของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารฟิสิกส์ชั้นนำ Physical Review Letters

การค้นพบนี้อาจเปิดช่องทางใหม่สำหรับนวัตกรรมคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีสารสนเทศ เมื่อคำนึงถึงความสำคัญของวัสดุแม่เหล็กในอุตสาหกรรมนี้วัสดุแม่เหล็กที่ซ่อนอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากของเรา เช่นเดียวกับในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่เป็นหัวใจของอินเทอร์เน็ต วัสดุแม่เหล็กจะอ่านและจัดเก็บข้อมูลการระเบิดของข้อมูลในปัจจุบันทำให้เกิดข้อมูลมากขึ้นและใช้พลังงานมากขึ้นกว่าเดิมการค้นหาวิธีใหม่ๆ ที่ประหยัดพลังงานในการจัดการข้อมูลและวัสดุที่เข้าคู่กัน ถือเป็นเรื่องหมกมุ่นในการวิจัยทั่วโลก

กุญแจสู่ความสำเร็จของทีม Trinity คือความสามารถในการสวิตช์ที่เร็วเป็นพิเศษโดยไม่มีสนามแม่เหล็กการสลับแม่เหล็กแบบดั้งเดิมนั้นใช้แม่เหล็กอีกตัวหนึ่ง ซึ่งต้องเสียค่าใช้จ่ายทั้งในด้านพลังงานและเวลาด้วย MRG การสลับทำได้ด้วยพัลส์ความร้อน โดยใช้ปฏิสัมพันธ์ที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุกับแสง

นักวิจัยของ Trinity Jean Besbas และ Karsten Rode หารือเกี่ยวกับแนวทางหนึ่งของการวิจัย:

“วัสดุแม่เหล็กมีหน่วยความจำที่สามารถนำไปใช้เป็นตรรกะได้จนถึงตอนนี้ การเปลี่ยนจากสถานะแม่เหล็กหนึ่ง 'โลจิคัล 0' ไปเป็น 'โลจิคัล 1' อีกสถานะหนึ่งนั้นใช้พลังงานมากเกินไปและช้าเกินไปการวิจัยของเราระบุถึงความเร็วโดยแสดงให้เห็นว่าเราสามารถเปลี่ยน MRG จากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได้ใน 0.1 พิโควินาที และที่สำคัญคือสวิตช์ตัวที่สองสามารถติดตามได้เพียง 10 พิโควินาทีในภายหลัง ซึ่งสอดคล้องกับความถี่ในการทำงานที่ ~ 100 กิกะเฮิรตซ์ ซึ่งเร็วกว่าสิ่งใดๆ ที่สังเกตพบมาก่อน

“การค้นพบนี้เน้นย้ำความสามารถพิเศษของ MRG ของเราในการจับคู่แสงและการหมุนอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้เราสามารถควบคุมแม่เหล็กด้วยแสงและแสงด้วยแม่เหล็กในช่วงเวลาที่ไม่สามารถบรรลุได้จนบัดนี้”

ศาสตราจารย์ Michael Coey จาก Trinity's School of Physics และ CRANN กล่าวถึงผลงานของทีมว่า "ในปี 2014 เมื่อผมและทีมงานได้ประกาศเป็นครั้งแรกว่าเราได้สร้างโลหะผสมแมงกานีส รูทีเนียม และแกลเลียมชนิดใหม่ทั้งหมด ซึ่งรู้จักกันในชื่อ MRG เราไม่เคย สงสัยว่าวัสดุนั้นมีศักยภาพทางแสงแบบแมกนีโตที่น่าทึ่งนี้

“การสาธิตนี้จะนำไปสู่แนวคิดอุปกรณ์ใหม่บนพื้นฐานของแสงและแม่เหล็กที่อาจได้รับประโยชน์จากความเร็วและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก บางทีในท้ายที่สุดอาจกลายเป็นอุปกรณ์สากลตัวเดียวที่มีหน่วยความจำและฟังก์ชันลอจิกรวมกันมันเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ แต่เราได้แสดงให้เห็นเนื้อหาที่อาจทำให้มันเป็นไปได้เราหวังว่าจะได้รับเงินทุนและความร่วมมือในอุตสาหกรรมเพื่อดำเนินงานของเรา”