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郑州华晶金刚石股份有限公司

光对材料的影响可能为新一代数据储存开辟新的途径

2018-01-31 13:38:27|来源 材料科技在线
摘要 图左为x射线穿过铁铂纳米粒子样品后在接收器上呈现的图案形式,图右为电子穿过铁铂纳米粒子样品后在接收器上呈现的图案形式。x射线数据揭示了样品的磁状态信息,电子数据提供了原子结构信息。...

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图左为x射线穿过铁铂纳米粒子样品后在接收器上呈现的图案形式,图右为电子穿过铁铂纳米粒子样品后在接收器上呈现的图案形式。x射线数据揭示了样品的磁状态信息,电子数据提供了原子结构信息。图片来源:Alexander Reid/SLAC国家加速器实验室

       SLAC国家加速器实验室隶属于能源部,该实验室的科学家们首次看到了铁铂纳米粒子(一种用于磁性数据存储设备的新一代材料)中的原子对短暂的激光闪光做出极其迅速反应的过程。对这些基本运动过程的研究可能会使人们发现新的方法来操纵和控制这些设备的照明。

       之所以能够看到这一过程,是由于使用了两个世界领先的仪器——具有超快原子分辨率的“摄像机”利纳克相干光源(LCLS)X射线激光器和超快电子衍射仪(UED)。该团队表明激光闪烁使铁铂粒子在不到万亿之一秒消磁,使材料中的原子在一个方向靠拢,在另一个方向上彼此远离。

       研究结果还提供了磁致伸缩力学应变的第一原子级描述,即磁致伸缩,当磁化强度改变时,磁致伸缩会发生在磁性材料中。这种现象表现在许多方面,包括变压器的电嗡嗡声。这项研究已经表在“自然通讯”杂志上,在这之前研究人员认为这些结构变化发生的相对较慢。然而,新的数据表明,超快过程可以发挥重要作用。

       这一研究是由SLAC和斯坦福合作进行的,斯坦福材料与能源科学研究所(SMES)的首席研究员Hermann dürr表示:“以往的铁铂纳米粒子性能模型没有考虑这些极其快速和基本的原子运动。尽管我们还不了解这些过程的全部影响,包括它们在内的计算可能为未来数据存储技术的发展开辟新的途径。”

       突破磁数据存储的极限

       磁存储设备被广泛用于记录数字世界几乎所有领域产生的信息,人们认为它们在可预见的将来仍然是至关重要的数据存储途径。面对日益增长的全球数据量,硬件工程师正致力于最大限度地利用这些媒介来存储信息。

       然而,目前的技术正接近其极限。例如,今天的硬盘驱动器可以达到每平方英寸数千亿位的存储密度,而类似的未来设备预计不会超过每平方英寸一万亿位。因此,急需新的发展,将磁数据存储提升到下一个水平。

       这项新研究的合作者之一,加州大学圣迭戈分校记忆和记录研究中心主任Eric Fullerton说:“在硬盘中使用纳米颗粒材料如铁铂进行热辅助磁记录是一种非常有希望的方法。在这种方法中,信息是用纳米聚焦激光和磁场编码的,甚至可能仅仅只需要激光,从而改变了纳米粒子的磁化强度。这些新一代的硬盘,可以有更大的存储密度,已经在工业上进行测试,并可能很快上市。”

       SLAC的这项研究探讨了这项技术的一个重要方面-激光与铁铂纳米粒子的相互作用。

       x射线与电子相结合

       研究人员首先将直径约50个原子的纳米粒子放到利纳克相干光源(LCLS)X射线激光器里。然后,激光器会照射一个短暂的光学激光脉冲。用LCLS的超亮的飞秒X-射线闪光,它们能够跟随激光改变材料的磁化状态——从完全磁化到基本上去磁化。一个飞秒是百万分之一秒。

       他们在SLAC加速器结构试验区(ASTA)上使用UED仪器重复了实验,用高能电子脉冲探测样品。用这种方法,科学家们制作了一部关于纳米粒子在被激光击中后如何移动的停止运动电影。

       SIMES和LCLS的第一作者AlexanderReid说:“只有这两种方法的结合,我们才能看到激光超快原子反应的全貌,激光脉冲改变了材料中的磁化强度,反过来又推动了结构的变化并引起力学应变。”

       SLAC UED项目负责人王希杰说:“这项研究证明了这两种方法是多么强大。确定三维原子运动的绝对关键是高能电子束,没有x射线,我们就无法将这些运动与材料的磁行为联系起来。

       除了SLAC和斯坦福的研究人员之外,这项合作还包括来自捷克共和国、德国、日本、瑞典、荷兰的科学家以及一些美国机构的科学家。这项研究的一部分得到了DOE科学办公室和实验室指导的研究和开发项目(LDRD)的支持。LCLS是一个DOE办公室的科学用户设施。

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