Współczesna ludzkość produkuje ogromne ilości danych cyfrowych. Gwałtowny przyrost informacji, które trzeba przetworzyć, przechować i przesłać stanowi nie lada wyzwanie dla naukowców, pracujących nad nowymi technologiami związanymi z obróbką i zapisem danych. Rekordową szybkość i wydajność zapisu danych udało się osiągnąć zespołowi badawczemu pracującemu pod kierunkiem dr. hab. Andrzeja Stupakiewicza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku, laureata programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Polscy fizycy we współpracy z naukowcami z Holandii i Niemiec odkryli mechanizm ultraszybkiego magnesowania za pomocą drgań atomów, a wyniki ich pracy opublikowało prestiżowe czasopismo ?Nature Physics?.
Zapis informacji przy zastosowaniu nośników magnetycznych jest obecnie najtańszym oraz najbardziej trwałym zapisem wśród różnych technologii stosowanych w tym celu. Istotą takiego zapisu są zjawiska przełączania magnetyzacji. ?Mówiąc obrazowo, w nośniku pamięci magnetycznej znajduje się mnóstwo sprzężonych komórek magnetycznych. Każda z nich przed zapisem ma identyczny kierunek namagnesowania. Odwrócenie kierunku magnetyzacji wybranej komórki prowadzi do zapisu informacji w sposób binarny ? z 0 na 1 lub odwrotnie. W obecnie dostępnych pamięciach stan namagnesowania zmieniany jest za pomocą pola magnetycznego lub prądu elektrycznego. Technologie te mają jednak swoje fizyczne ograniczenia. Po pierwsze, ograniczona jest szybkość zapisu ? w najszybszych obecnie pamięciach typu RAM czas zapisu wynosi kilka nanosekund (nanosekunda to miliardowa część sekundy). Po drugie, podczas zapisu dochodzi do nagrzewania nośnika i wytworzenia niepotrzebnego ciepła, które trzeba odprowadzać, zużywając na to dodatkową energię. Szacuje się, że w centrach IT, do magazynowania i przetwarzania danych, zużywane jest obecnie około 5% całkowitej globalnej produkcji energii elektrycznej? ? mówi dr hab. Andrzej Stupakiewicz.
Dlatego naukowcy na całym świecie pracują nad nowymi metodami i technologiami, które nie tylko zwiększałyby szybkość zapisu informacji, ale też byłyby bardziej energooszczędne. Taką właśnie metodę zaprezentował, a teraz udoskonala zespół fizyków z Uniwersytetu w Białymstoku. Już w 2017 roku na łamach czasopisma ?Nature? polscy fizycy opublikowali przełomowe wyniki dotyczące zastosowania wyłącznie ultrakrótkich impulsów światła do fotomagnetycznego zapisu danych w sposób nietermiczny, czyli na zimno. Dzięki wykorzystaniu światła naukowcy byli w stanie przełączać magnetyzację, a tym samym zapisywać dane, z bezkonkurencyjną szybkością, nawet tysiąc razy szybciej niż w najszybszych obecnie dostępnych pamięciach typu RAM. Ponadto podczas zapisu, a także i odczytu, informacji, temperatura nośnika wzrastała na tyle minimalnie, że niepotrzebne było chłodzenie.
Rewolucyjna technologia jutra
Do zapisu zastosowano przezroczystą optycznie warstwę granatu itrowo-żelazowego domieszkowanego jonami kobaltu. Jest to materiał syntetyczny, łatwy do uzyskania i tani w produkcji. ?Obecnie prowadzimy badania nad modyfikacjami jego parametrów, aby można było zapisywać w nim informacje jeszcze szybciej i jeszcze wydajniej? ? wyjaśnia dr hab. Stupakiewicz.
Kontynuacją tych prac było odkrycie dokonane już w ramach realizacji grantu TEAM i opublikowane w 2019 roku w piśmie ?Nature Communication?. W tej publikacji naukowcy z Białegostoku udowodnili, że nowa metoda umożliwia nie tylko bardziej efektywne zapisywanie danych, a także ich przesyłanie za pomocą sieci światłowodowej, wykorzystując lasery impulsowe pracujące w paśmie telekomunikacyjnym. Ponadto fizycy uzyskali kolejny wynik demonstrujący ultraszybką sekwencję zapisu fotomagnetycznego, polegającą na kasowaniu i ponownym zapisie informacji w sposób wyłącznie optyczny o rekordowej dotychczas częstotliwości, sięgającej nawet 20 GHz.
Wstrząśnięte, nie mieszane ? nowy przepis na zapis magnetyczny
Obecnie białostoccy fizycy we współpracy z naukowcami z Holandii i Niemiec opublikowali kolejną przełomową pracę, w której zaprezentowali zupełnie inny mechanizm fizyczny, prowadzący do ultraszybkiego przełączania magnetyzacji czyli zapisu danych. Tym razem, wykorzystali do tego rezonansowe drgania atomów. ?Pokazaliśmy, że do przemagnesowania warstw o strukturze granatu niekoniecznie trzeba używać światła. Można odpowiednio wstrząsnąć atomami i uzyskać ten sam rezultat. Do wzbudzenia drgań atomów wykorzystaliśmy promieniowanie terahercowe z lasera na swobodnych elektronach w ramach współpracy z zagranicznym partnerem projektu TEAM z Nijmegen w Holandii. Do zapisu zastosowaliśmy impulsy o czasie trwania poniżej pikosekundy (pikosekunda to jedna tysięczna miliardowej części sekundy)? ? tłumaczy dr hab. Andrzej Stupakiewicz.
Pierwsza z opisanych przez badaczy metod, czyli fotomagnetyczne przełączenie magnetyzacji za pomocą impulsów światła jest bardziej praktyczna ze względu na szybki rozwój technologii ultraszybkich laserów pracujących w paśmie telekomunikacji. Wykorzystanie promieniowania terahercowego jest bardziej problematyczne ze względu na ograniczony dostęp do źródeł generujących takie ultrakrótkie impulsy. ?Jednak ta druga metoda jest bardziej uniwersalna ? pokazaliśmy, że za pomocą ultraszybkich wzbudzeń drgań sieci atomów można zmieniać stan namagnesowania w zasadzie w dowolnym materiale. Daje to możliwość kontrolowania i zmiany różnych fizycznych właściwości tych materiałów, np. właściwości optycznych, elektrycznych czy mechanicznych. To bardzo poszerza nasze możliwości i otwiera zupełnie nowe drogi zarówno do opracowania nowatorskich koncepcji badawczych w naukach podstawowych, takich jak chemia czy biologia, jak i do zastosowań praktycznych, nie tylko w zakresie zapisu informacji cyfrowej? ? zaznacza dr hab. Andrzej Stupakiewicz.
Dr hab. Andrzej Stupakiewicz specjalizuje się w fizyce magnetyzmu oraz optyce. Po ukończeniu studiów na Wydziale Fizyki Grodzieńskiego Uniwersytetu Państwowego im. Janki Kupały, rozpoczął pracę w Zakładzie Fizyki Magnetyków Uniwersytetu w Białymstoku. Stopień doktora oraz doktora habilitowanego uzyskał w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie. Swoje prace publikował w takich czasopismach jak m.in. ?Nature?, ?Nature Communication?, ?Nano Letters?, „Physical Review Letters”, ?Applied Physics Letters?. Jest także współautorem kilku patentów udzielonych przez polski i amerykański urząd patentowy.
Źródło: Ultrafast phononic switching of magnetization. Nat. Phys. (2021)
https://www.nature.com/articles/s41567-020-01124-9
Na zdjęciu: dr hab. Andrzej Stupakiewicz_ fot. Archiwum UwB
Program TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
Cała nadzieja w nauce! Przekaż swój 1% młodym naukowcom. Nasz KRS: 0000109744
Więcej tutaj: https://start.fnp.org.pl/przekaz-1/