Penemuan dari eksperimen magnet dan laser dapat menjadi keuntungan bagi penyimpanan data yang hemat energi.
“Kami ingin mempelajari fisika interaksi optomagnetik,” kata Rahul Jangid, yang memimpin analisis data untuk proyek tersebut sambil meraih gelar Ph.D. dalam ilmu dan teknik material di bawah arahan Roopali Kukreja, seorang profesor di UC Davis. “Apa yang terjadi jika Anda mengenai domain magnetis dengan pulsa laser yang sangat pendek?”
Domain adalah wilayah dalam magnet yang berpindah dari kutub utara ke kutub selatan. Properti ini digunakan untuk penyimpanan data, seperti pada hard disk drive komputer.
Jangid dan rekan-rekannya menemukan bahwa ketika magnet terkena laser berdenyut, dinding domain di lapisan feromagnetik bergerak dengan kecepatan sekitar 66 kilometer per detik, yaitu sekitar 100 kali lebih cepat dari batas kecepatan yang diperkirakan sebelumnya.
Dinding domain yang bergerak dengan kecepatan seperti itu dapat secara dramatis memengaruhi cara data disimpan dan diproses, menyediakan memori yang lebih cepat, lebih stabil, dan mengurangi konsumsi energi perangkat spintronics, seperti hard disk drive, yang menggunakan putaran elektron dalam beberapa lapisan logam magnetik untuk menyimpan, memproses atau mengirimkan informasi.
“Tidak ada yang mengira tembok ini bisa bergerak secepat ini karena seharusnya mencapai batasnya,” kata Jangid. "Kedengarannya seperti pisang, tapi itu benar." Ini disebut "pisang" karena fenomena kerusakan Walker, yang menyatakan bahwa dinding domain hanya dapat didorong sejauh ini dengan kecepatan tertentu sebelum dinding tersebut secara efektif rusak dan berhenti bergerak. Namun, penelitian ini memberikan bukti bahwa laser dapat digunakan untuk menggerakkan dinding domain dengan kecepatan yang sebelumnya tidak diketahui.
Meskipun sebagian besar perangkat pribadi seperti laptop dan ponsel menggunakan flash drive yang lebih cepat, pusat data menggunakan hard drive yang lebih murah dan lebih lambat. Namun, setiap kali sedikit informasi diproses atau dibalik, drive tersebut membakar banyak energi dengan menggunakan medan magnet untuk menghantarkan panas melalui kumparan. Jika drive dapat menggunakan pulsa laser pada lapisan magnet, perangkat akan beroperasi pada tegangan lebih rendah dan energi yang dibutuhkan untuk membalik bit akan sangat berkurang.
Proyeksi saat ini menunjukkan bahwa TIK akan menyumbang 21 persen dari permintaan energi dunia pada tahun 2030, yang berkontribusi terhadap perubahan iklim, sebuah temuan yang disoroti oleh Jangid dan rekan penulisnya dalam makalah berjudul “Extreme Domain Wall Velocities under Ultrafast Optical Exitation,” yang diterbitkan 19 Desember di jurnal Physical Review Letters. Penemuan ini terjadi pada saat pencarian teknologi hemat energi menjadi sangat penting.
Untuk melakukan percobaan tersebut, Jangid dan kolaboratornya, termasuk peneliti dari Institut Sains dan Teknologi Nasional; Universitas California, San Diego; Universitas Colorado, Universitas Colorado Springs, dan Universitas Stockholm menggunakan Fasilitas Penelitian Multidisiplin untuk Radiasi Laser Elektron Gratis, sumber laser elektron bebas yang berlokasi di Trieste, Italia.
“Laser Elektron Bebas adalah fasilitas yang gila,” kata Jangid. "Ini adalah tabung vakum sepanjang 2-mil di mana Anda mengambil segenggam elektron, mempercepatnya hingga mencapai kecepatan cahaya, dan akhirnya mengayunkannya untuk menghasilkan sinar-X yang sangat terang sehingga jika Anda tidak berhati-hati, Anda sampel dapat diuapkan Anggap saja sebagai pemfokusan seluruh sinar matahari yang jatuh ke Bumi dengan satu sen-itulah jumlah fluks foton yang kita miliki pada laser elektron bebas.
Di Fermi, kelompok tersebut menggunakan sinar-X untuk mengukur apa yang terjadi ketika magnet berskala nano dengan banyak lapisan kobalt, besi, dan nikel tereksitasi oleh pulsa femtosecond. Femtodetik didefinisikan sebagai 10 hingga minus seperlima belas detik, atau sepersejuta miliar detik.
“Ada lebih banyak femtodetik dalam satu detik dibandingkan jumlah hari dalam usia alam semesta,” kata Jangid. "Ini adalah pengukuran yang sangat kecil dan sangat cepat, dan sulit untuk memahaminya."
Jangid sedang menganalisis data dan menemukan bahwa pulsa laser ultracepat inilah yang merangsang lapisan feromagnetik, menyebabkan dinding domain bergerak. Berdasarkan seberapa cepat dinding domain ini bergerak, penelitian ini menunjukkan bahwa pulsa laser ultracepat ini dapat mengalihkan bit informasi yang tersimpan sekitar 1,000 kali lebih cepat dibandingkan metode berbasis medan magnet atau arus putar yang digunakan saat ini.
Teknik tersebut jauh dari kata praktis karena laser saat ini menghabiskan banyak daya. Namun, Jangid mengatakan bahwa proses serupa dengan yang digunakan oleh compact disk untuk menyimpan informasi menggunakan laser dan pemutar CD untuk memutar informasi menggunakan laser dapat berfungsi di masa depan.
Langkah selanjutnya mencakup eksplorasi lebih lanjut sifat fisik mekanisme yang memungkinkan kecepatan dinding domain ultracepat di atas batas yang diketahui sebelumnya, serta pencitraan gerakan dinding domain. Penelitian ini akan dilanjutkan di UC Davis di bawah kepemimpinan Kukreja. Jangid kini melakukan penelitian serupa di National Synchrotron Light Source 2 di Brookhaven National Laboratory.
“Ada banyak aspek dari fenomena ultrafast yang baru mulai kita pahami,” kata Jangid. “Saya bersemangat untuk menjawab beberapa pertanyaan luar biasa yang dapat membuka kemajuan transformatif di bidang spintronik berdaya rendah, penyimpanan data, dan pemrosesan informasi.”
