Dans une ère où la demande énergétique mondiale est en constante augmentation, une équipe de chercheurs a découvert une méthode potentiellement plus efficace et rapide pour le stockage et le traitement des données. Cette découverte pourrait révolutionner le monde de l’informatique et de la technologie de l’information.
Une interaction lumière-magnétisme surprenante
“Nous voulions étudier la physique de l’interaction lumière-magnétisme,” a déclaré Rahul Jangid, qui a dirigé l’analyse des données pour le projet tout en obtenant son doctorat en science des matériaux et ingénierie à l’UC Davis sous la direction de la professeure associée Roopali Kukreja. “Que se passe-t-il lorsque vous frappez un domaine magnétique avec de très courtes impulsions de lumière laser ?”
Les domaines sont des zones à l’intérieur d’un aimant qui basculent de pôles nord à sud. Cette propriété est utilisée pour le stockage de données, par exemple dans les disques durs d’ordinateur.
Des vitesses de déplacement de parois de domaines inédites
Les chercheurs ont découvert que lorsqu’un aimant est frappé par un laser pulsé, les parois de domaine dans les couches ferromagnétiques se déplacent à une vitesse d’environ 66 km/s, soit environ 100 fois plus vite que la limite de vitesse précédemment envisagée.
Le déplacement des parois de domaine à cette vitesse pourrait radicalement modifier la manière dont les données sont stockées et traitées, offrant un moyen de mémoire plus rapide et plus stable et réduisant la consommation d’énergie dans les dispositifs spintroniques tels que les disques durs qui utilisent le spin des électrons dans les multicouches métalliques magnétiques pour stocker, traiter ou transmettre des informations.
Des implications majeures pour le stockage de données
“Personne ne pensait qu’il était possible de déplacer ces parois aussi rapidement car elles devraient atteindre leur limite,” a déclaré Rahul Jangid. “Cela semble absolument incroyable, mais c’est vrai.”
C’est «incroyable», à cause du phénomène de rupture de Walker, qui stipule que les parois de domaine ne peuvent être poussées qu’à une certaine vitesse avant qu’elles ne se décomposent effectivement et cessent de bouger. Cette recherche donne des preuves que les parois de domaine peuvent être poussées à des vitesses inconnues auparavant à l’aide de lasers.
Alors que la plupart des appareils personnels comme les ordinateurs portables et les téléphones cellulaires utilisent des disques flash plus rapides, les centres de données utilisent des disques durs plus lents et moins chers. Toutefois, chaque fois qu’un bit d’information est traité, ou basculé, le disque utilise un champ magnétique pour conduire la chaleur à travers une bobine de fil, brûlant beaucoup d’énergie.
Si, au contraire, un disque pouvait utiliser des impulsions laser sur les couches magnétiques, l’appareil fonctionnerait à une tension plus basse et les basculements de bits nécessiteraient nettement moins d’énergie pour être traités.
Une avancée opportune dans la technologie de l’information
Les projections actuelles indiquent qu’en 2030, la technologie de l’information et de la communication représentera 21% de la demande énergétique mondiale, exacerbant le changement climatique.
Cette découverte, qui a été mise en évidence dans un article intitulé “Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation” dans la revue Physical Review Letters, arrive à un moment où la recherche de technologies éco-énergétiques est primordiale.
Quand le laser rencontre l’aimant
Pour mener l’expérience, Rahul Jangid et ses collaborateurs, dont des chercheurs de l’Institut National de Science et de Technologie; UC San Diego; Université du Colorado, Colorado Springs et l’Université de Stockholm ont utilisé l’installation FERMI, une source de laser à électrons libres basée à Trieste, en Italie.
“Les lasers à électrons libres sont des installations incroyables,” a commenté encore Rahul Jangid. “C’est un tube à vide de 2 miles de long, et vous prenez un petit nombre d’électrons, les accélérez jusqu’à la vitesse de la lumière, et à la fin les faites osciller pour créer des rayons X si brillants, que si vous n’êtes pas prudent, votre échantillon pourrait être vaporisé. Pensez-y comme si vous preniez toute la lumière du soleil tombant sur la Terre et la concentrant sur un centime – c’est la quantité de flux de photons que nous avons avec les lasers à électrons libres.”
Au FERMI, le groupe a utilisé des rayons X pour mesurer ce qui se produit lorsqu’un aimant à l’échelle nanométrique avec plusieurs couches de cobalt, de fer et de nickel est excité par des impulsions de femtoseconde. Une femtoseconde est définie comme 10 à la puissance négative 15 d’une seconde ou un millionième de milliardième de seconde.
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“Il y a plus de femtosecondes en une seconde qu’il n’y a de jours dans l’âge de l’univers,” a ajouté Rahul Jangid. “Ce sont des mesures extrêmement petites, extrêmement rapides qui sont difficiles à comprendre.”
Le futur des phénomènes ultra-rapides
La technologie est loin d’être pratiquement appliquée, car les lasers actuels consomment beaucoup d’énergie. Un processus similaire à la manière dont les disques compacts, ou CD, utilisent des lasers pour stocker des informations et les lecteurs de CD utilisent des lasers pour les lire pourrait potentiellement fonctionner à l’avenir.
Les prochaines étapes incluent l’exploration plus approfondie de la physique des mécanismes qui permettent des vitesses de paroi de domaine ultra-rapides supérieures aux limites précédemment connues, ainsi que l’imagerie du mouvement de la paroi de domaine.
“Il y a tellement d’aspects du phénomène ultra-rapide que nous commençons tout juste à comprendre,” a conclu Rahul Jangid. “Je suis impatient de m’attaquer aux questions ouvertes qui pourraient débloquer des avancées transformatrices dans la spintronique à faible consommation, le stockage de données et le traitement de l’information.”
En synthèse
La découverte de l’équipe de chercheurs ouvre des perspectives fascinantes pour le futur du stockage et du traitement des données. En exploitant l’interaction lumière-magnétisme, ils ont réussi à déplacer les parois de domaine dans les couches ferromagnétiques à des vitesses inédites. Bien que la technologie soit encore loin d’être prête pour une application pratique, elle pourrait potentiellement conduire à des avancées significatives dans le domaine de la spintronique à faible consommation, du stockage de données et du traitement de l’information.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’interaction lumière-magnétisme ?
C’est le phénomène qui se produit lorsque la lumière (sous forme de laser dans cette étude) interagit avec un domaine magnétique, provoquant le déplacement des parois de domaine à des vitesses élevées.
Qu’est-ce qu’une paroi de domaine ?
Une paroi de domaine est une zone à l’intérieur d’un aimant qui bascule de pôles nord à sud. Cette propriété est utilisée pour le stockage de données.
Qu’est-ce que le phénomène de rupture de Walker ?
Le phénomène de rupture de Walker stipule que les parois de domaine ne peuvent être poussées qu’à une certaine vitesse avant qu’elles ne se décomposent effectivement et cessent de bouger.
Qu’est-ce que la spintronique ?
La spintronique est un domaine de la technologie qui utilise le spin des électrons dans les multicouches métalliques magnétiques pour stocker, traiter ou transmettre des informations.
Qu’est-ce que le laser à électrons libres ?
Un laser à électrons libres est une source de lumière qui utilise des électrons accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière pour générer des rayons X extrêmement brillants.
Références
Légende illustration : Représentation des parois d’un domaine dans un matériau ferromagnétique en couches. De nouvelles recherches montrent que lorsque ces matériaux sont frappés par un laser à électrons libres, les parois des domaines magnétiques se déplacent beaucoup plus rapidement qu’on ne le pensait. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le stockage de données à haut rendement énergétique. Crédit : Rahul Jangid/UC Davis
Article : « Extreme Domain Wall Speeds under Ultrafast Optical Excitation » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.256702
