科學家們發現了光伸縮下一代數據存儲材料
SLAC國家加速器實驗室的科學家們首次發現，鐵 - 鉑納米粒子中的原子如何快速響應激光閃光，鐵 - 鉑納米粒子是下一代磁性數據存儲設備材料。 了解這些基本動作可以帶來利用光操作和控制這些設備的新方式。
SLAC的兩台世界領先的超快速原子解析度「照相機」（Linac相干光源（LCLS）X射線激光器和超快電子衍射裝置（UED））的快照相結合，研究小組指出，激光閃光在小於一萬億分之一秒內消除了鐵 -鉑納米粒子的磁性，導致材料中的原子在一個方向上靠得更近，並在另一個方向上進一步移動。
鐵鉑納米粒子對激光的快速原子響應的圖示。鐵原子顯示為紅色，鉑原子顯示為藍色。短暫的紅色激光會使樣品消磁（從對齊的箭頭過渡到隨機的箭頭方向）。這導致原子結構在一個方向上的壓縮和在另一個方向上的伸展。 （圖：Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室）
該結果還首次提供了機械應變的原子級的描述，稱為磁致伸縮。當磁化改變時，磁致伸縮在磁性材料中發生。這種現象表現在很多方面，包括變壓器的電聲。在今天發表在「自然通訊」上的研究之前，研究人員認為這些結構變化發生得相對較慢。然而，新的數據表明，超快過程可以發揮重要作用。
斯坦福大學材料與能源科學研究所（SIMES）是一個斯坦福大學和SLAC聯合運營的研究所，該研究所的首席研究員赫爾曼·杜爾（HermannDürr）表示：「過去的鐵鉑納米粒子性質模型並沒有考慮到這些非常快速和基本的原子運動。 儘管我們還不了解這些過程的全部波及面，包括他們在我們的計算中可能會為未來的數據存儲技術的發展開闢新的途徑。」
推動磁數據存儲的極限
磁性存儲設備廣泛用於記錄我們數字世界幾乎所有領域產生的信息，並被認為在可預見的將來仍然是關鍵的數據存儲解決方案。面對日益增長的全球數據量，硬體工程師正致力於最大限度地提高這些媒體可以存儲信息的密度。
然而，目前的技術正在接近技術極限。例如，今天的硬碟驅動器可以達到每平方英寸數千億比特的存儲密度，而類似的未來設備預計不會超過每平方英寸超過一萬億比特。需要新的發展來將磁數據存儲提高到一個新的更高的水平。
加州大學聖地亞哥分校記憶與記錄研究中心主任和這項新研究的合作者埃里克·富勒頓（Eric Fullerton）說：「一種非常有前途的方法可以讓我們在磁碟驅動器上使用納米尺寸的鐵鉑材料來進行熱磁記錄。 在這種方法中，信息是用納米聚焦的激光和磁場，或者甚至可能是單獨的激光來編碼的，以此來切換納米粒子的磁化。這些具有更大存儲密度的下一代驅動器已經在工業中得到了測試，並且而且很快就會商業化。」
SLAC研究考察了這項技術的一個重要方面 - 激光與鐵鉑納米粒子的相互作用。
由X射線（左）和通過鐵 - 鉑納米粒子樣品的電子產生的探測器上的強度模式。 X射線數據揭示了樣品磁性狀態的信息，電子數據提供了原子結構的細節。 （圖片：Alexander Reid / SLAC國家加速器實驗室）
結合X射線和電子視覺
研究人員首先將大約50個原子直徑的納米粒子帶到LCLS上，然後用一個光學激光脈衝照射在納米粒子上。利用LCLS的超高亮度飛秒X射線閃光，他們能夠跟蹤激光如何改變材料的磁化 - 從完全磁化到大部分去磁。一飛秒是百萬分之一秒。
他們在SLAC的加速器結構測試區（ASTA）使用UED儀器重複了這個實驗，在這個測試區域，一束脈衝高能電子束探測了樣品。通過這種方法，科學家製作了一個關於納米粒子中的原子如何在被激光擊中之後移動的定格動畫。
來自SIMES和LCLS的該研究的主要作者Alexander Reid說：「只有將兩種方法結合起來，我們才能看到激光對超快速原子響應的全貌。激光脈衝改變了材料的磁化，反過來又促使結構發生變化，並引起機械應變。」
SLAC的 UED項目負責人王希傑說：「這項研究表明兩種方法在一起是多麼強大。高能電子束對確定三維原子運動是至關重要的，如果沒有X射線，我們就不能將這些運動與材料的磁性行為聯繫起來。」
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