يمكن أن تكون الاكتشافات من تجارب المغناطيس والليزر بمثابة نعمة لتخزين البيانات بكفاءة في استخدام الطاقة.
وقال راهول جانجيد، الذي قاد تحليل البيانات للمشروع أثناء حصوله على درجة الدكتوراه: "أردنا دراسة فيزياء التفاعلات المغناطيسية الضوئية". حصل على درجة الدكتوراه في علوم وهندسة المواد تحت إشراف روبالي كوكريا، الأستاذ المشارك في جامعة كاليفورنيا في ديفيس. "ماذا يحدث عندما تضرب مجالًا مغناطيسيًا بنبضة ليزر قصيرة جدًا؟"
المجال هو منطقة داخل المغناطيس تتقلب من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. تُستخدم هذه الخاصية لتخزين البيانات، كما هو الحال في محركات الأقراص الثابتة بالكمبيوتر.
وجد جانجيد وزملاؤه أنه عندما يتم ضرب مغناطيس بالليزر النبضي، فإن جدران المجال في الطبقة المغناطيسية المغناطيسية تتحرك بسرعة حوالي 66 كيلومترًا في الثانية، وهو أسرع بحوالي 100 مرة من الحد الأقصى للسرعة الذي كان يُعتقد سابقًا.
يمكن لجدران المجال التي تتحرك بهذه السرعات أن تؤثر بشكل كبير على كيفية تخزين البيانات ومعالجتها، مما يوفر ذاكرة أسرع وأكثر استقرارًا ويقلل من استهلاك الطاقة لأجهزة الإلكترونيات الدورانية، مثل محركات الأقراص الثابتة، التي تستخدم دوران الإلكترون داخل طبقات متعددة من المعدن المغناطيسي للتخزين. معالجة أو نقل المعلومات.
وقال جانجيد: "لم يعتقد أحد أن هذه الجدران يمكن أن تتحرك بهذه السرعة لأنه كان من المفترض أن تصل إلى حدودها القصوى". "يبدو الأمر موزًا تمامًا، لكنه صحيح." إنه "الموزة" بسبب ظاهرة انهيار ووكر، والتي تنص على أنه لا يمكن دفع جدران النطاق بعيدًا إلا بسرعة معينة قبل أن تنهار بشكل فعال وتتوقف عن الحركة. ومع ذلك، توفر هذه الدراسة دليلاً على أنه يمكن استخدام الليزر لدفع جدران المجال بسرعات غير معروفة سابقًا.
في حين أن معظم الأجهزة الشخصية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة تستخدم محركات أقراص فلاش أسرع، فإن مراكز البيانات تستخدم محركات أقراص ثابتة أرخص وأبطأ. ومع ذلك، في كل مرة تتم فيها معالجة جزء من المعلومات أو قلبه، تحرق محركات الأقراص قدرًا كبيرًا من الطاقة باستخدام مجال مغناطيسي لتوصيل الحرارة عبر الملفات. إذا تمكنت محركات الأقراص من استخدام نبضات الليزر على الطبقات المغناطيسية، فستعمل الأجهزة بجهد كهربائي أقل، وستنخفض الطاقة المطلوبة لقلب البتات بشكل كبير.
وتشير التوقعات الحالية إلى أن تكنولوجيا المعلومات والاتصالات سوف تمثل 21 في المائة من الطلب العالمي على الطاقة بحلول عام 2030، مما يساهم في تغير المناخ، وهي النتيجة التي أبرزها جانجيد ومؤلفون مشاركين في ورقة بحثية بعنوان "سرعات جدار المجال القصوى في ظل الإثارة الضوئية فائقة السرعة"، والتي تم نشرها 19 ديسمبر في مجلة رسائل المراجعة الفيزيائية. ويأتي هذا الاكتشاف في وقت أصبح فيه البحث عن تقنيات موفرة للطاقة أمرًا بالغ الأهمية.
لإجراء التجربة، قام جانجيد ومعاونوه، ومن بينهم باحثون من المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا؛ جامعة كاليفورنيا، سان دييغو؛ استخدمت جامعة كولورادو، وجامعة كولورادو سبرينغز، وجامعة ستوكهولم مرفق الأبحاث متعدد التخصصات لإشعاع الليزر الإلكتروني الحر، وهو مصدر ليزر حر الإلكترون يقع في تريستا، إيطاليا.
وقال جانجيد: "إن ليزر الإلكترون الحر هو منشأة مجنونة". "إنه عبارة عن أنبوب مفرغ يبلغ طوله 2-ميلًا حيث تأخذ مجموعة من الإلكترونات، وتسرعها إلى سرعة الضوء، ثم تأرجحها أخيرًا لإنتاج أشعة سينية شديدة السطوع لدرجة أنه إذا لم تكن حذرًا، فإن يمكن أن يتم تبخير العينة، فكر في الأمر على أنه تركيز كل ضوء الشمس الذي يسقط على الأرض على بنس واحد، وهذا هو مقدار تدفق الفوتون لدينا في ليزر الإلكترون الحر.
في فيرمي، استخدمت المجموعة الأشعة السينية لقياس ما يحدث عندما يتم تحفيز مغناطيسات نانوية ذات طبقات متعددة من الكوبالت والحديد والنيكل بواسطة نبضات الفيمتو ثانية. يتم تعريف الفيمتو ثانية على أنها 10 أس ناقص خمسة عشر من الثانية، أو مليون من مليار من الثانية.
وقال جانجيد: "هناك عدد من الفيمتو ثانية في الثانية أكبر من عدد الأيام في عمر الكون". "إنها قياسات صغيرة جدًا وسريعة للغاية، ومن الصعب أن تفهمها."
يقوم جانجيد بتحليل البيانات ووجد أن نبضات الليزر فائقة السرعة هذه هي التي تثير الطبقة المغناطيسية الحديدية، مما يتسبب في تحرك جدران المجال. استنادًا إلى مدى سرعة تحرك جدران النطاق هذه، تشير الدراسة إلى أن نبضات الليزر فائقة السرعة هذه يمكنها تبديل أجزاء المعلومات المخزنة بحوالي 1,000 مرة أسرع من المجال المغناطيسي أو الطرق القائمة على التيار الدوراني المستخدمة اليوم.
هذه التقنية بعيدة كل البعد عن كونها عملية لأن أجهزة الليزر الحالية تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة. ومع ذلك، يقول جانجيد إن العمليات المشابهة لتلك التي تستخدمها الأقراص المدمجة لتخزين المعلومات باستخدام الليزر ومشغلات الأقراص المضغوطة لتشغيل المعلومات باستخدام الليزر يمكن أن تنجح في المستقبل.
تتضمن الخطوات التالية مزيدًا من استكشاف الخصائص الفيزيائية للآلية التي تسمح بسرعات جدار المجال فائقة السرعة أعلى من الحدود المعروفة مسبقًا، بالإضافة إلى تصوير حركة جدار المجال. سيستمر هذا البحث في جامعة كاليفورنيا في ديفيس تحت قيادة كوكريا. يقوم جانجيد الآن بإجراء بحث مماثل في مصدر ضوء السنكروترون الوطني 2 في مختبر بروكهافن الوطني.
وقال جانجيد: "هناك العديد من جوانب الظواهر فائقة السرعة التي بدأنا للتو في فهمها". "أنا حريص على معالجة بعض الأسئلة المعلقة التي يمكن أن تطلق العنان للتقدم التحويلي في مجالات الإلكترونيات السبينية منخفضة الطاقة وتخزين البيانات ومعالجة المعلومات."
