一种利用光改变材料磁性状态的新方法可能会带来更快、更小、更节能的数据存储。
加州大学圣地亚哥分校的工程师在《自然通讯》上发表了他们的发现。
在硬盘驱动器和其他数据存储技术中，小磁场代表构成数字信息的 1 和 0。这些磁状态之间的切换通常需要外部磁场。但这种方法会消耗大量能源并限制数据写入速度。
加州大学圣地亚哥分校的工程师展示了另一种方法，即使用光而不是磁铁来切换磁性信息，这一过程称为光学切换。由于光可以非常快速地传输能量并精确地聚焦在一个小区域，因此它可以更快、更有效地操纵磁位。研究人员估计，光开关的速度可能比依赖外部磁场的方法快 1000 倍以上。
他们的方法使用超快激光束，该激光束形状独特，尺寸非常小，比以前方法中使用的光束小大约十几个数量级。
使用这种专门设计的光束控制材料磁化的能力可以将更多信息封装到更小的区域中。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程系教授、高级研究作者 Abdoulaye Ndao 表示：“光束的尺寸越小，光学存储器就越小、越密集。”
先前的研究表明，光切换仅在不由三个磁性层组成的非常薄的磁性堆栈中以及使用特定类型的偏振光时才可能实现。 “之前的实验表明，大于三层的材料厚度会阻碍光传输，”Ndao 说。 “这限制了磁性材料的整体厚度，从而限制了其长期存储记忆的能力。”
但通过形成和减少光，Ndao 的团队克服了这两个限制。他们展示了由九个交替的铂和钴层组成的厚磁性材料的光传输。他们还发现，他们不再需要依靠光的偏振来实现开关。
该研究的第一作者、电气和计算机工程博士穆罕默德·瓦利德·哈立德 (Mohammad Waleed Khalid) 表示：“我们通过光学设计光来改变材料中在微米和纳米尺度上发生的物理现象。” Ndao 研究小组的学生。
关键是将光的能量集中到一个小区域，并将其暴露在多个超快脉冲下。在这个非常小的规模上，第一个脉冲加热一个微小区域以产生反向磁场。随后的激光脉冲逐渐扩大照明区域，直到变得稳定。
“使用特殊的激光器使我们能够对光进行光学整形，使其具有特定的形状和尺寸，”哈立德说。 “这使我们能够研究传统光束激光器无法完成的更基础的物理学。”
研究结果也提出了一系列问题。 “我们看到的效果是如此新奇和不寻常，以至于我们很难让该领域的其他人相信我们的发现不是一次性的侥幸。我们花了很多时间和精力向光学界证明我们的实验是正确的。”
Ndao 指出，这个研究项目结合了光学和磁性材料方面的专业知识——这两个领域通常不会齐头并进。 Ndao 的光学研究团队与薄磁性材料专家 Eric Fullerton 合作，Eric Fullerton 是加州大学圣地亚哥分校电气和计算机工程以及化学和纳米工程教授，也是加州大学圣地亚哥分校记忆和记录研究中心的讲座教授。此次合作使研究人员能够从光学方面解决磁存储器中长期存在的问题。
“我们没有设计一种新材料来实现光传输，而是重新设计了光本身，展示了以前不可能的新特性，”Ndao 说。
在该技术成为商业存储设备的一部分之前，仍然存在一些挑战。该技术目前使用一种特殊的超快激光器，尚不能轻易集成到计算机芯片中。另一种可能的方法是识别可以使用更容易集成到电子系统中的激光产生类似效果的磁性材料。
研究人员还在努力缩小激光束，可能缩小到几百纳米。他们正在研究可以将光限制在更小的空间中的光学结构。他们的目标是了解如何使用专门设计的光来控制更小尺度的磁性。
完整研究：“可重构磁域的光学光形成”
作者谨此感谢 2023 年贝克曼青年研究者奖的财政支持；阿诺德和梅布尔贝克曼基金会； 2024 阿尔弗雷德·斯隆研究奖学金；摩尔基金会参与 PAIR UP 成像科学项目；和穆里空军科学研究办公室（奖项编号：FA9550-22-1-0312）。这项研究得到了美国国家科学基金会通过加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程研究中心的支持（MRSEC 拨款号 DMR-2614051）。这项工作部分是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施 (SDNI) 进行的，该基础设施是国家科学基金会 (ECCS-2025752) 支持的国家协作纳米技术基础设施的成员。
