Współczesne życie kręci się wokół danych, co oznacza, że potrzebujemy nowych, szybkich i energooszczędnych sposobów odczytu i zapisu danych na urządzeniach magazynujących. Wraz z rozwojem technologii całkowicie optycznego przełączania materiałów magnetycznych (AOS), optyczna metoda wykorzystywania impulsów laserowych zamiast magnesów do zapisywania danych zyskała znaczną uwagę w ostatniej dekadzie. Chociaż technologia AOS jest szybka i energooszczędna, ma problemy z dokładnością. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Eindhoven w Holandii wynaleźli nową metodę, która wykorzystuje materiały ferromagnetyczne jako odniesienie do dokładnego zapisywania danych w warstwie kobalt-gadolin (Co / Gd) za pomocą impulsów laserowych. Ich badania zostały opublikowane w Nature Communications.
Materiały magnetyczne na dyskach twardych i innych urządzeniach przechowują dane w postaci bitów komputerowych. Tradycyjnie dane są odczytywane i zapisywane na dysku twardym poprzez przesuwanie małego magnesu po materiale. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wytwarzanie, zużycie, dostęp i przechowywanie danych istnieje duże zapotrzebowanie na szybsze i bardziej energooszczędne metody dostępu, przechowywania i rejestrowania danych.
Całkowicie optyczne przełączanie (AOS) materiałów magnetycznych jest obiecującą metodą pod względem szybkości i efektywności energetycznej. Całkowicie optyczny przełącznik wykorzystuje femtosekundowe impulsy laserowe do zmiany kierunku spinu magnetycznego w skali pikosekundowej. Do zapisu danych można wykorzystać dwa mechanizmy: przełączniki wielopulsowe i jednopulsowe. W przełączniku wielopulsowym ostateczny kierunek spinu jest deterministyczny, co oznacza, że można go z góry określić na podstawie polaryzacji światła. Jednak ten mechanizm zwykle wymaga wielu laserów, co zmniejsza szybkość i wydajność pisania.
Z drugiej strony, prędkość zapisu pojedynczego impulsu będzie znacznie szybsza, ale badania nad jednopulsowym całkowicie optycznym przełącznikiem pokazują, że przełączanie pojedynczego impulsu jest procesem ślizgowym. Oznacza to, że zmiana stanu określonego bitu magnetycznego wymaga wcześniejszej znajomości tego bitu. Innymi słowy, stan BIT musi zostać odczytany, zanim będzie można go nadpisać, co wprowadza fazę odczytu do procesu zapisu, ograniczając w ten sposób prędkość.
Lepszą metodą jest deterministyczna metoda całkowicie optycznego przełączania pojedynczego impulsu, w której ostateczny kierunek bitu zależy tylko od procesu używanego do ustawiania i resetowania bitu. Obecnie naukowcy z Grupy Nanostructure na Wydziale Fizyki Stosowanej Politechniki w Eindhoven opracowali nową metodę osiągnięcia deterministycznego zapisu pojedynczego impulsu w magnetycznych materiałach magazynujących, dzięki czemu proces pisania jest bardziej precyzyjny.
Źródło zdjęcia: Politechnika w Eindhoven
W swoim eksperymencie naukowcy z Eindhoven University of Technology zaprojektowali system pisania składający się z trzech warstw - ferromagnetycznej warstwy odniesienia wykonanej z kobaltu i niklu, która pomaga lub zapobiega powstawaniu wolnej warstwy w wolnej warstwie. Przełącznik obrotowy, przewodząca miedziana (Cu) warstwa dystansowa lub warstwa szczelinowa oraz przełączana optycznie warstwa wolna od Co / Gd. Grubość warstwy kompozytowej jest mniejsza niż 15 nm.
Po wzbudzeniu laserem femtosekundowym warstwa odniesienia jest rozmagnesowywana w mniej niż 1 pikosekundę. Część utraconego momentu pędu związanego ze spinem w warstwie odniesienia jest następnie przekształcana w prąd spinowy przenoszony przez elektron. Spiny w prądzie są w tym samym kierunku co spiny w warstwie odniesienia.
Ten prąd spinowy przemieszcza się następnie z warstwy odniesienia przez miedzianą warstwę dystansową (biała strzałka na rysunku) do wolnej warstwy, gdzie może pomóc lub zapobiec przełączaniu spinu w wolnej warstwie. Zależy to od względnego kierunku wirowania warstwy odniesienia i wolnej warstwy.
Zmiana energii lasera spowoduje dwa stany. Po pierwsze, powyżej progu, ostateczny kierunek wirowania w wolnej warstwie jest całkowicie określony przez warstwę odniesienia; po drugie, powyżej wyższego progu, obserwuje się przełączanie. Badacze wykazali, że te dwa mechanizmy można wykorzystać do dokładnego zapisania stanu spinu wolnej warstwy bez uwzględnienia jej stanu początkowego podczas procesu pisania. To odkrycie stanowi ważny krok w rozwoju naszej przyszłej rozbudowy urządzeń do przechowywania danych.