圖左為x射線穿過鐵鉑納米粒子樣品后在接收器上呈現(xiàn)的圖案形式，圖右為電子穿過鐵鉑納米粒子樣品后在接收器上呈現(xiàn)的圖案形式。x射線數(shù)據(jù)揭示了樣品的磁狀態(tài)信息，電子數(shù)據(jù)提供了原子結(jié)構(gòu)信息。圖片來源：Alexander Reid/SLAC國家加速器實驗室

       SLAC國家加速器實驗室隸屬于能源部，該實驗室的科學(xué)家們首次看到了鐵鉑納米粒子(一種用于磁性數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的新一代材料)中的原子對短暫的激光閃光做出極其迅速反應(yīng)的過程。對這些基本運動過程的研究可能會使人們發(fā)現(xiàn)新的方法來操縱和控制這些設(shè)備的照明。

       之所以能夠看到這一過程，是由于使用了兩個世界領(lǐng)先的儀器——具有超快原子分辨率的“攝像機”利納克相干光源（LCLS）X射線激光器和超快電子衍射儀（UED）。該團(tuán)隊表明激光閃爍使鐵鉑粒子在不到萬億之一秒消磁，使材料中的原子在一個方向靠攏，在另一個方向上彼此遠(yuǎn)離。

       研究結(jié)果還提供了磁致伸縮力學(xué)應(yīng)變的第一原子級描述，即磁致伸縮，當(dāng)磁化強度改變時，磁致伸縮會發(fā)生在磁性材料中。這種現(xiàn)象表現(xiàn)在許多方面，包括變壓器的電嗡嗡聲。這項研究已經(jīng)表在“自然通訊”雜志上，在這之前研究人員認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)變化發(fā)生的相對較慢。然而，新的數(shù)據(jù)表明，超快過程可以發(fā)揮重要作用。

       這一研究是由SLAC和斯坦福合作進(jìn)行的，斯坦福材料與能源科學(xué)研究所(SMES)的首席研究員Hermann dürr表示：“以往的鐵鉑納米粒子性能模型沒有考慮這些極其快速和基本的原子運動。盡管我們還不了解這些過程的全部影響，包括它們在內(nèi)的計算可能為未來數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的發(fā)展開辟新的途徑?！?/p>

       突破磁數(shù)據(jù)存儲的極限

       磁存儲設(shè)備被廣泛用于記錄數(shù)字世界幾乎所有領(lǐng)域產(chǎn)生的信息，人們認(rèn)為它們在可預(yù)見的將來仍然是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)存儲途徑。面對日益增長的全球數(shù)據(jù)量，硬件工程師正致力于最大限度地利用這些媒介來存儲信息。

       然而，目前的技術(shù)正接近其極限。例如，今天的硬盤驅(qū)動器可以達(dá)到每平方英寸數(shù)千億位的存儲密度，而類似的未來設(shè)備預(yù)計不會超過每平方英寸一萬億位。因此，急需新的發(fā)展，將磁數(shù)據(jù)存儲提升到下一個水平。

       這項新研究的合作者之一，加州大學(xué)圣迭戈分校記憶和記錄研究中心主任Eric Fullerton說：“在硬盤中使用納米顆粒材料如鐵鉑進(jìn)行熱輔助磁記錄是一種非常有希望的方法。在這種方法中，信息是用納米聚焦激光和磁場編碼的，甚至可能僅僅只需要激光，從而改變了納米粒子的磁化強度。這些新一代的硬盤，可以有更大的存儲密度，已經(jīng)在工業(yè)上進(jìn)行測試，并可能很快上市?！?/p>

       SLAC的這項研究探討了這項技術(shù)的一個重要方面-激光與鐵鉑納米粒子的相互作用。

       x射線與電子相結(jié)合

       研究人員首先將直徑約50個原子的納米粒子放到利納克相干光源（LCLS）X射線激光器里。然后，激光器會照射一個短暫的光學(xué)激光脈沖。用LCLS的超亮的飛秒X-射線閃光，它們能夠跟隨激光改變材料的磁化狀態(tài)——從完全磁化到基本上去磁化。一個飛秒是百萬分之一秒。

       他們在SLAC加速器結(jié)構(gòu)試驗區(qū)(ASTA)上使用UED儀器重復(fù)了實驗，用高能電子脈沖探測樣品。用這種方法，科學(xué)家們制作了一部關(guān)于納米粒子在被激光擊中后如何移動的停止運動電影。

       SIMES和LCLS的第一作者AlexanderReid說：“只有這兩種方法的結(jié)合，我們才能看到激光超快原子反應(yīng)的全貌，激光脈沖改變了材料中的磁化強度，反過來又推動了結(jié)構(gòu)的變化并引起力學(xué)應(yīng)變?！?/p>

       SLAC UED項目負(fù)責(zé)人王希杰說：“這項研究證明了這兩種方法是多么強大。確定三維原子運動的絕對關(guān)鍵是高能電子束，沒有x射線，我們就無法將這些運動與材料的磁行為聯(lián)系起來。

       除了SLAC和斯坦福的研究人員之外，這項合作還包括來自捷克共和國、德國、日本、瑞典、荷蘭的科學(xué)家以及一些美國機構(gòu)的科學(xué)家。這項研究的一部分得到了DOE科學(xué)辦公室和實驗室指導(dǎo)的研究和開發(fā)項目(LDRD)的支持。LCLS是一個DOE辦公室的科學(xué)用戶設(shè)施。