磁波在反铁磁体中如何表现以及它们如何传播?“域墙”在这个过程中起到什么作用?这对数据存储的未来意味着什么?这些问题是康斯坦茨物理学家 Davide Bossini 博士领导的国际研究小组最近在《物理评论快报》杂志上发表的一篇文章的重点。


该团队报告了可以由超快(飞秒)激光脉冲引起的反铁磁体中的磁现象,并有可能赋予材料用于节能和超快数据存储应用的新功能。


对存储容量的需求增长速度快于可用基础设施


大数据技术和基于云的数据服务的广泛使用意味着全球对数据存储的需求不断扩大,同时需要更快的数据处理。同时,目前可用的技术将无法永远跟上。康斯坦茨和该研究的主要作,物理学家 Davide Bossini 博士说“估计表明,如果在此期间不能开发出新颖、更高效的数据存储和处理技术,那么增长的需求只能在大约 10 年的有限时间内得到满足。”


数据存储与飞秒激光和反铁磁体会有什么关系?“跨界”研究带来数量级的跨越

使用飞秒激光脉冲,可以在反铁磁域(上图)中感应出磁波(相干自旋波)。相邻畴的磁波以超快时间尺度(下图)跨畴壁彼此耦合。信用:大卫博西尼



为了防止发生数据危机,仅仅继续建造越来越多的数据中心并以当前最先进的技术运行是不够的。未来的技术还必须比基于磁硬盘的传统海量数据存储更快、更节能。一类材料,反铁磁体,是开发下一代信息技术的有希望的候选材料。


反铁磁体的结构


我们都熟悉由铁或其他铁磁性材料制成的家用磁铁。这些材料的原子在磁性上都沿同一方向取向,就像指南针的小针一样,因此会发生影响周围环境的磁极化(磁化)。相比之下,反铁磁体的原子具有相互抵消的交替磁矩。因此,反铁磁体没有净磁化,因此对周围环境没有磁性影响。


然而,在内部,这些在自然界中大量发现的反铁磁体被分成许多更小的区域,称为磁畴,其中方向相反的磁矩排列在不同的方向。这些畴通过称为“畴壁”的过渡区域彼此分开。


数据存储与飞秒激光和反铁磁体会有什么关系?“跨界”研究带来数量级的跨越


“尽管这些过渡区域在反铁磁体中是众所周知的,但直到现在,人们对畴壁对反铁磁体磁特性的影响知之甚少——尤其是在极短的时间增量内,”博西尼博士说。


飞秒磁现象


在当前的文章中,研究人员描述了当反铁磁体(更具体地说,氧化镍晶体)暴露于超快(飞秒)激光脉冲时会发生什么。飞秒的尺度非常短,在这段时间内,即使是光也只能移动很小的距离。在千万亿分之一秒(一飞秒)内,光仅传播了 0.3 微米,相当于一个小细菌的直径。


国际研究小组表明,畴壁在反铁磁氧化镍的动态特性中起着积极的作用。实验表明,具有不同频率的磁波可以在不同的域中被感应、放大甚至相互耦合,但仅限于存在畴壁的情况下。“我们的观察表明,反铁磁体中畴壁的普遍存在可能被用来赋予这些材料超快尺度的新功能。


实现更高效数据存储的重要步骤


跨畴壁耦合不同磁波的能力突出了主动控制磁波在时间和空间中的传播以及飞秒级单个波之间的能量转移的潜力。这是使用这些材料进行超快数据存储和处理的先决条件。


这种基于反铁磁体的数据存储技术将比目前的技术快几个数量级,能源效率更高。他们还将能够存储和处理大量数据。由于材料没有净磁化,它们也不太容易出现故障和外部操纵。


“因此,基于反铁磁体的未来技术将满足下一代数据存储技术的所有要求。它们还有可能跟上对数据存储和处理能力不断增长的需求,”Bossini 总结道。




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