圖左為x射線穿過(guò)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(guò)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(lái)源：Alexander Reid/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

       SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室隸屬于能源部，該實(shí)驗(yàn)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(chǔ)設(shè)備的新一代材料)中的原子對(duì)短暫的激光閃光做出極其迅速反應(yīng)的過(guò)程。對(duì)這些基本運(yùn)動(dòng)過(guò)程的研究可能會(huì)使人們發(fā)現(xiàn)新的方法來(lái)操縱和控制這些設(shè)備的照明。

       之所以能夠看到這一過(guò)程，是由于使用了兩個(gè)世界領(lǐng)先的儀器——具有超快原子分辨率的“攝像機(jī)”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(duì)表明激光閃爍使鐵鉑粒子在不到萬(wàn)億之一秒消磁，使材料中的原子在一個(gè)方向靠攏，在另一個(gè)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(jí)描述，即磁致伸縮，當(dāng)磁化強(qiáng)度改變時(shí)，磁致伸縮會(huì)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(xiàng)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(duì)較慢。然而，新的數(shù)據(jù)表明，超快過(guò)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(méi)有考慮這些極其快速和基本的原子運(yùn)動(dòng)。盡管我們還不了解這些過(guò)程的全部影響，包括它們?cè)趦?nèi)的計(jì)算可能為未來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展開辟新的途徑?！?/p>

       突破磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的極限

       磁存儲(chǔ)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?cè)诳深A(yù)見的將來(lái)仍然是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)途徑。面對(duì)日益增長(zhǎng)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(lái)存儲(chǔ)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(dòng)器可以達(dá)到每平方英寸數(shù)千億位的存儲(chǔ)密度，而類似的未來(lái)設(shè)備預(yù)計(jì)不會(huì)超過(guò)每平方英寸一萬(wàn)億位。因此，急需新的發(fā)展，將磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提升到下一個(gè)水平。

       這項(xiàng)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(shuō)：“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(chǎng)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(qiáng)度。這些新一代的硬盤，可以有更大的存儲(chǔ)密度，已經(jīng)在工業(yè)上進(jìn)行測(cè)試，并可能很快上市?！?/p>

       SLAC的這項(xiàng)研究探討了這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)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(gè)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(huì)照射一個(gè)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(gè)飛秒是百萬(wàn)分之一秒。

       他們?cè)赟LAC加速器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)區(qū)(ASTA)上使用UED儀器重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，用高能電子脈沖探測(cè)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(dòng)的停止運(yùn)動(dòng)電影。

       SIMES和LCLS的第一作者AlexanderReid說(shuō)：“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(qiáng)度，反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了結(jié)構(gòu)的變化并引起力學(xué)應(yīng)變。”

       SLAC UED項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王希杰說(shuō)：“這項(xiàng)研究證明了這兩種方法是多么強(qiáng)大。確定三維原子運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)關(guān)鍵是高能電子束，沒(méi)有x射線，我們就無(wú)法將這些運(yùn)動(dòng)與材料的磁行為聯(lián)系起來(lái)。

       除了SLAC和斯坦福的研究人員之外，這項(xiàng)合作還包括來(lái)自捷克共和國(guó)、德國(guó)、日本、瑞典、荷蘭的科學(xué)家以及一些美國(guó)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家。這項(xiàng)研究的一部分得到了DOE科學(xué)辦公室和實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研究和開發(fā)項(xiàng)目(LDRD)的支持。LCLS是一個(gè)DOE辦公室的科學(xué)用戶設(shè)施。