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圖左為x射線穿過鐵鉑納米粒子樣品后在接收器上呈現的圖案形式，圖右為電子穿過鐵鉑納米粒子樣品后在接收器上呈現的圖案形式。x射線數據揭示了樣品的磁狀態信息，電子數據提供了原子結構信息。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，該實驗室的科學家們首次看到了鐵鉑納米粒子(一種用于磁性數據存儲設備的新一代材料)中的原子對短暫的激光閃光做出極其迅速反應的過程。對這些基本運動過程的研究可能會使人們發現新的方法來操縱和控制這些設備的照明。

       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離。

       研究結果還提供了磁致伸縮力學應變的第一原子級描述，即磁致伸縮，當磁化強度改變時，磁致伸縮會發生在磁性材料中。這種現象表現在許多方面，包括變壓器的電嗡嗡聲。這項研究已經表在“自然通訊”雜志上，在這之前研究人員認為這些結構變化發生的相對較慢。然而，新的數據表明，超快過程可以發揮重要作用。

       這一研究是由SLAC和斯坦福合作進行的，斯坦福材料與能源科學研究所(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，包括它們在內的計算可能為未來數據存儲技術的發展開辟新的途徑。”

       突破磁數據存儲的極限

       磁存儲設備被廣泛用于記錄數字世界幾乎所有領域產生的信息，人們認為它們在可預見的將來仍然是至關重要的數據存儲途徑。面對日益增長的全球數據量，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，目前的技術正接近其極限。例如，今天的硬盤驅動器可以達到每平方英寸數千億位的存儲密度，而類似的未來設備預計不會超過每平方英寸一萬億位。因此，急需新的發展，將磁數據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，已經在工業上進行測試，并可能很快上市。”

       SLAC的這項研究探討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。

       x射線與電子相結合

       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——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加速器結構試驗區(ASTA)上使用UED儀器重復了實驗，用高能電子脈沖探測樣品。用這種方法，科學家們制作了一部關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合，我們才能看到激光超快原子反應的全貌，激光脈沖改變了材料中的磁化強度，反過來又推動了結構的變化并引起力學應變。”

       SLAC UED項目負責人王希杰說：“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、荷蘭的科學家以及一些美國機構的科學家。這項研究的一部分得到了DOE科學辦公室和實驗室指導的研究和開發項目(LDRD)的支持。LCLS是一個DOE辦公室的科學用戶設施。