Dinámico, pero inercial, y definitivamente futurista.
Los investigadores realizan experimentos para demostrar el movimiento inercial en materiales magnéticos: Trabajo de campo para el almacenamiento ultrarrápido de datos
En la revista Nature Physics, un equipo internacional de científicos de Alemania, Italia, Suecia y Francia informa sobre su observación experimental de un efecto inercial de los giros de los electrones en los materiales magnéticos, que había sido predicho previamente, pero difícil de demostrar. Los resultados son el resultado de uno de los primeros proyectos a largo plazo en la fuente de luz de terahercio de alta potencia TELBE en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Un equipo internacional de científicos ha logrado por primera vez observar la "nutación" de los giros en los materiales magnéticos (las oscilaciones de sus ejes durante la precesión).
Dunia Maccagni
Hoy en día, la mayor parte de la "memoria" del mundo está almacenada en soportes de datos magnéticos - discos duros - sin los cuales nuestra vida digital sería impensable. En el material magnético, son los giros de los electrones los que hacen el trabajo real de almacenar los datos. Imagine este giro como electrones girando alrededor de sus propios ejes, ya sea a la izquierda o a la derecha - representando los "ceros" y "unos" digitales.
Hay algo especial en esta rotación, como explica el Dr. Jan-Christoph Deinert del Instituto HZDR de Física de la Radiación: "En el campo magnético, el electrón se comporta como un trompo giratorio. El eje de rotación del electrón cambia su dirección en una trayectoria circular. A este proceso lo llamamos precesión. Cuando es perturbado por una fuerza externa, el eje de rotación también debe hacer pequeños movimientos oscilatorios, llamados nutación, que se superponen a la precesión. Al igual que la precesión, es una característica de muchos objetos en rotación, desde los trompetistas de los niños hasta planetas como la Tierra. Sin embargo, debido a su escala mucho más pequeña, la nutación es mucho más difícil de observar".
El equipo ha estimulado y medido con éxito la nutación de estos giros en finas capas magnéticas, como las que se usan en los discos duros. El período de nutación se midió en el orden de un picosegundo, una milésima de una milmillonésima de segundo. Durante sus experimentos, los físicos descubrieron que la nutación del eje del espín magnético es 1.000 veces más rápida que el comparativamente lento cambio de dirección del movimiento de precesión, una proporción notablemente similar a la de la Tierra.
Sentar las bases para el almacenamiento ultrarrápido de datos
Este descubrimiento es una pieza importante del hasta ahora sorprendentemente desigual rompecabezas de nuestra comprensión de los procesos magnéticos ultrarrápidos y, por lo tanto, un paso hacia tecnologías de procesamiento de datos aún más rápidas, compactas y energéticamente más eficientes. En primer lugar, sin embargo, los investigadores deben comprender la dinámica subyacente de los procesos que ocurren en escalas de tiempo de billonésimas de segundo, incluyendo su dinámica inercial, como fuente de movimiento nutacional. "Hasta ahora, los modelos matemáticos establecidos han asumido que existe algún tipo de límite de velocidad incorporado a esos procesos. Pero podemos demostrar que los efectos extremadamente rápidos, como la nutación, se producen realmente y, por lo tanto, pueden desempeñar un papel importante en los procesos de escritura de datos dinámicos", explica Nilesh Awari, que ha participado estrechamente en el trabajo como estudiante de doctorado y postdoctorado en el HZDR.
"Esta es la primera prueba experimental directa del movimiento inercial de los giros magnéticos", explica el físico italiano y jefe de equipo Stefano Bonetti, profesor de las Universidades de Venecia y Estocolmo y coordinador de un proyecto del ERC (Consejo Europeo de Investigación) sobre el magnetismo ultrarrápido. "Entre otras cosas, esperamos que nuestro trabajo tenga un impacto en los centros de datos, que almacenan casi toda la información digital de la humanidad, ya que la dinámica inercial puede desempeñar un papel importante, especialmente en las manipulaciones ultrarrápidas de orientación de los espines. Comprender el período de nutación es cada vez más importante a medida que la velocidad de escritura se acelera en tecnologías de almacenamiento de datos cada vez más rápidas. Nuestra primera observación de estos movimientos allana el camino a nuevas tecnologías que ayudan a mejorar la eficiencia de nuestra vida digital cotidiana; después de todo, son las tecnologías con el mayor aumento del consumo de energía entre todas las actividades humanas".
La intensa radiación de terahercios provoca efectos en el rango de picosegundos
Los experimentos fueron fruto de la colaboración de científicos de varios laboratorios europeos (HZDR, TU Chemnitz, Universität Duisburg-Essen, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, TU Berlin, Instituto Politécnico de París, Universidad Ca' Foscari de Venecia, Universidad de Nápoles Federico II, Universidad de Nápoles Parthenope y Universidad de Estocolmo). Las mediciones clave se realizaron en la HZDR gracias al especial entorno experimental que ofrece, como describe Jan-Christoph Deinert: "TELBE es capaz de generar la intensa radiación de terahercios necesaria para el experimento en el rango de frecuencias entre las microondas y el infrarrojo. La radiación de terahercios actúa como un pulso magnético muy intenso en la escala temporal de picosegundos, lo que no puede lograrse con los imanes convencionales".
El grupo encabezado por Stefano Bonetti ha participado en el desarrollo y la utilización de las fuentes de terahercios en TELBE desde el principio. "Los primeros experimentos fueron difíciles", recuerda Bonetti. "Pero después de unos años, el rendimiento de la máquina ya se había vuelto muy potente. Las mediciones reales en TELBE se llevaron a cabo durante más de un año a través de tres campañas de medición diferentes en la operación del usuario para verificar la reproducibilidad de este efecto previamente no observado".
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Publicación original
K. Neeraj, N. Awari, S. Kovalev, D. Polley, N. Z. Hagström, S. S. P. K. Arekapudi, A. Semisalova, K. Lenz, B. Green, J.-C.Deinert, I. Ilyakov, M. Chen, M. Bawatna, V. Scalera, M. d’Aquino, C. Serpico, O. Hellwig. J.-E. Wegrowe, M. Gensch, S. Bonetti; "Inertial spin dynamics in ferromagnets"; Nature Physics; 2020
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