Första steget mot snabba och energisnåla processorer
Forskare från bland annat Uppsala universitet har visat på hur nya typer av magnetiska materialstrukturer kan utvecklas till energisnåla minnen och processorer för framtida beräkningar inom till exempel artificiell intelligens och maskininlärning. Det är med hjälp av extremt korta laserpulser som forskarna har kunnat styra ultrasnabba magnetiseringsändringar i nanometerstora magneter.
Magnetiska material är uppbyggda av flera domäner med likriktad magnetisering. I hårddiskar används domänerna för lagring av information som är inkodad i magnetiseringens riktning. Domänernas magnetiseringstillstånd kan ändras genom att styra om magnetiseringen med hjälp av ett externt magnetiskt fält. Men magnetiseringstillståndet i ett material kan också ändras med hjälp av växelverkan mellan ljus (elektromagnetisk strålning) och materialet. Då avmagnetiseras materialet ultrasnabbt innan magnetiseringsriktningen ändras.
När korta och effektintensiva laserpulser i form av synligt eller infrarött ljus, träffar ett skikt av ett magnetiskt material kan storleken och riktningen på magnetiseringen ändras. Fenomenet äger rum inom några pikosekunder (10-12 s) och är mer energieffektivt än metoder då magnetiseringsriktningen ändras med externa magnetiska fält.
Koner gjorda av guld och magnetiska toppar av en terbium-kobolt-legering har mönstrats i ett gitter. Laserljus som träffar konerna fokuseras på topparna och skapar en ultrasnabb avmagnetisering. Bild: Vassilios Kapaklis.
Vassilios Kapaklis och hans forskargrupp har, tillsammans med forskare från Göteborgs universitet och Nijmegens Universitet i Nederländerna, utvecklat en metod som ger mer kontroll över storleken på avmagnetiseringen i magnetiska nanostrukturer. Med hjälp av litografi som skapas med nanoteknologi har forskarna kunnat skapa ett regelbundet geometriskt gitter av ett tiotals nanometerstora (10-9 m) magnetiska partiklar. Gittret används för att styra om ljuspulsrarnas intensitet och kan därigenom styra varje partikels magnetisering.
– Genom formen på gittret och partiklarna kan vi koncentrera laserljuset och styra storleken på avmagnetiseringseffekten. Detta kan långsiktigt leda till en ny generation av processorer som använder ljus och magnetism, istället för elektriska laddningar. Dessa kräver inte några elektriska strömmar och är därmed också mer energisnåla, säger Vassilios Kapaklis, professor vid institutionen för fysik och astronomi.
Allt material och gitterstrukturerna som använts i projektet har utvecklats vid avdelningen för materialfysik vid Uppsala universitet. Och nanomönstringen har gjorts vid infrastrukturen MyFab Uppsala (renrummet) i Ångströmlaboratoriet.
Kontakt
Vassilios Kapaklis, professor vid institutionen för fysik och astronomi, materialfysik, vassilios.kapaklis@physics.uu.se. 018-471 35 22.
Artikelreferens
Kshiti Mishra, Richard M. Rowan-Robinson, Agne Ciuciulkaite, Carl S. Davies, Alexandre Dmitriev, Vassilios Kapaklis, Alexey V. Kimel, and Andrei Kirilyuk, “Ultrafast Demagnetization Control in Magnetophotonic Surface Crystals”, Nano Letters 2022, 22, 23, 9773–9780 (2022), DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00769
Camilla Thulin