Учёные разработали новый способ управления магнетизмом с помощью света. Это достижение в перспективе может сделать хранение цифровых данных более быстрым, компактным и энергоэффективным.
Исследование провели инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего, результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Современные жёсткие диски и другие системы хранения данных используют крошечные магнитные области, чтобы кодировать цифровую информацию в виде единиц и нулей. Для записи новых данных обычно применяют внешнее магнитное поле, которое меняет ориентацию этих областей. Однако такой процесс требует немало энергии и ограничивает скорость записи информации.
Команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировала альтернативу: свет, который изменяет эти магнитные состояния. Этот метод называется оптическим переключением. Свет может передавать энергию в виде предельно коротких импульсов и фокусироваться на очень малых участках, а значит, магнитную информацию потенциально можно записывать гораздо быстрее и с меньшими затратами энергии. По словам исследователей, оптическое переключение способно работать более чем в 1000 раз быстрее традиционных методов, которые зависят от внешних магнитных полей.
Сжатие лазерного луча для улучшения хранения данных
Чтобы это стало возможным, инженеры использовали специальный сверхбыстрый лазер и тщательно изменили форму и размер его луча. Полученный луч оказался значительно меньше тех, что применялись в предыдущих экспериментах: исследователи говорят об уменьшении на десятки порядков.
Такой точный контроль над светом мог бы также позволить хранить значительно больше информации в ограниченном пространстве. Если направлять энергию лазера на более мелкие магнитные области, будущие устройства памяти потенциально смогут вмещать больше данных без увеличения физических размеров.
«Чем меньше размер луча, тем меньше и плотнее оптическая память», — сказал старший автор исследования Абдулайе Ндао, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.
До сих пор у оптического переключения было два важных ограничения. Предыдущие эксперименты удавались только с предельно тонкими магнитными структурами, содержавшими не более трёх магнитных слоёв. Кроме того, для процесса требовался свет определённой поляризации, то есть его электромагнитные волны должны были быть ориентированы определённым образом.
«В прошлых экспериментах обнаружили, что увеличение толщины материала более трёх слоёв подавляет оптическое переключение, — сказал Ндао. — Это накладывало ограничение на общую толщину магнитного материала и, следовательно, на его способность сохранять память в течение длительного времени».
Эти ограничения снижали потенциальную полезность оптической памяти, особенно потому, что более толстые магнитные структуры помогают сохранять записанную информацию в течение длительного времени.
Учёные преодолели серьёзное препятствие для магнитной памяти
Тщательно изменив форму лазерного луча и уменьшив его размер, Ндао и его коллеги нашли способ обойти оба ограничения.
Им удалось продемонстрировать оптическое переключение в заметно более толстой магнитной структуре, состоящей из девяти чередующихся слоёв платины и кобальта. Исследователи также показали, что процесс работает без необходимости использовать свет определённой поляризации.
«Мы оптически сконструировали свет, чтобы изменить физику процессов, происходящих в материале на микро- и наноуровне», — сказал первый автор исследования Мухаммад Валид Халид, аспирант в области электротехники и вычислительной техники в исследовательской группе Ндао.
Метод основан на концентрации энергии лазера в предельно малой области и подаче последовательности сверхбыстрых импульсов.
Первые импульсы кратковременно нагревают локальный участок магнитного материала, из-за чего небольшая область меняет свою магнитную ориентацию на противоположную. Последующие импульсы постепенно увеличивают эту перевёрнутую область, пока новое магнитное состояние не станет устойчивым.
Такая тщательно контролируемая последовательность позволяет исследователям управлять магнетизмом способами, которых не удавалось добиться с помощью обычных лазерных лучей.
«Работа со специальным лазером позволила нам оптически сформировать луч определённой формы и размера, — сказал Халид. — Это дало нам возможность исследовать более фундаментальную физику, что невозможно сделать с обычными лазерами».
Неожиданное открытие, потребовавшее многократных проверок
Необычные результаты поначалу было трудно признать в научном сообществе. Поскольку эффекты так сильно отличались от того, что считалось возможным по итогам прежних экспериментов, исследователям потребовалось провести множество дополнительных испытаний, чтобы подтвердить свои наблюдения.
«Эффекты, которые мы наблюдали, были настолько новыми и необычными, что нам было сложно убедить коллег в том, что наше открытие — не случайная одноразовая удача. Мы потратили много времени и сил на повторение и проверку экспериментов, чтобы обосновать нашу работу перед оптическим сообществом», — добавил Халид.
Это достижение стало результатом сотрудничества исследователей из двух областей, которые пересекаются нечасто: оптики, изучающей свет, и науки о магнитных материалах.
Исследовательская группа Ндао по оптике работала с Эриком Фуллертоном, экспертом по тонкоплёночным магнитным материалам из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Фуллертон — профессор электротехники и вычислительной техники, а также химической и нанотехнической инженерии, кроме того, он занимает именную кафедру в Центре исследований памяти и записи данных университета.
Объединение этих областей знаний позволило команде взглянуть на давнюю проблему магнитной памяти под другим углом. Вместо того чтобы создавать магнитный материал с новыми свойствами, исследователи сосредоточились на изменении того, как свет взаимодействует с уже существующим материалом.
«Вместо того чтобы разрабатывать новый материал для оптического переключения, мы заново сконструировали сам свет и показали новые свойства, которые раньше считались невозможными», — сказал Ндао.
Следующая задача для сверхбыстрой компьютерной памяти
Хотя результаты указывают на многообещающие возможности для будущих технологий хранения данных, до применения оптического переключения в повседневных электронных устройствах предстоит преодолеть серьёзные технические препятствия.
Одна из главных проблем — специальный сверхбыстрый лазер, необходимый для экспериментов. Существующие версии нелегко встроить в компьютерные чипы, что затрудняет практическую интеграцию.
Исследователи рассматривают другие способы достичь схожих результатов, в том числе поиск магнитных материалов, которые могли бы реагировать на лазерные системы, более подходящие для интеграции в электронное оборудование.
Они также пытаются ещё больше уменьшить размер лазерного луча — до нескольких сотен нанометров. Для этого команда изучает оптические структуры, способные концентрировать свет во всё более малых областях.
Эти усилия направлены на то, чтобы понять, как точно сконструированный свет может управлять магнетизмом в предельно малых масштабах. Если оставшиеся инженерные проблемы удастся решить, такой подход мог бы способствовать появлению нового поколения компактных устройств памяти высокой плотности, способных записывать цифровую информацию с гораздо большей скоростью.