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基于超快激光的数据写入存储设备

现代生活围绕着数据,这意味着我们需要新的、快速的、节能的方法来读写存储设备上的数据。随着磁性材料全光开关(AOS)技术的发展,利用激光脉冲代替磁体写入数据的光学方法在过去十年中受到了相当多的关注。虽然快速和节能,但AOS在精确度方面存在问题。荷兰埃因霍芬理工大学的研究人员发明了一种新的方法,利用铁磁性材料作为参考,用激光脉冲将数据精确写入钴钆(Co/Gd)层。他们的研究发表在《自然通讯》上。

硬盘驱动器和其他设备中的磁性材料以计算机位的形式存储数据。传统上,数据是通过在材料上移动一个小磁铁来读取和写入硬盘的。然而,随着对数据生产、消费、访问和存储的需求不断增加,人们对更快、更节能的访问、存储和记录数据的方法有了相当大的需求。

磁性材料的全光开关(AOS)在速度和能源效率方面是一个很有前途的方法。全光开关利用飞秒激光脉冲在皮秒尺度上改变磁旋的方向。两种机制可用于写入数据:多脉冲和单脉冲的切换开关。在多脉冲开关中,自旋的最终方向是确定性的,这意味着它可以预先由光的偏振决定。然而,这种机制通常需要多个激光,这就降低了写入的速度和效率。

另一方面,单脉冲写入速度会快得多,但对单脉冲全光开关的研究表明,单脉冲切换是一个滑动过程。这意味着要改变特定磁性位的状态,需要对位的先验知识。换句话说,BIT的状态必须先被读取,然后才能被覆盖,这就给写入过程引入了一个读取阶段,从而限制了速度。

一个更好的方法是确定性的单脉冲全光开关方法,其中位的最终方向只取决于用来设置和重置位的过程。目前,埃因霍芬理工大学应用物理系纳米结构组的研究人员已经研发出一种在磁存储材料中实现确定性单脉冲写入的新方法,使写入过程更加精确。

图片来源:埃因霍芬理工大学

在他们的实验中,埃因霍芬理工大学研究人员设计了一个由三层组成的书写系统--一个由钴和镍制成的铁磁参考层,它有助于或防止自由层中的自旋开关,一个导电铜(Cu)间隔层或间隙层,以及一个光学可切换的Co/Gd自由层。复合层厚度小于15 nm。

一旦被飞秒激光激发,参考层在不到1皮秒的时间内消磁。参考层中与自旋相关的一些失去的角动量随后被转换成电子携带的自旋电流。电流中的自旋与参考层中的自旋方向一致。

这个自旋电流然后从参考层通过铜间隔层(见图中的白色箭头)移动到自由层,在那里它可以帮助或阻止自由层的自旋切换。这取决于参考层和自由层的相对自旋方向。

改变激光能量会导致两种状态。首先,在一个阈值以上,自由层中的最终自旋方向完全由参考层决定;其次,在一个更高的阈值以上,观察到开关切换。研究人员已经证明,这两种机制一起可以用于精确书写自由层的自旋状态,而不需要在书写过程中考虑其初始状态。这一发现为我们未来的数据存储设备的扩展提供了一个重要的进展。

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