Инженеры UCSD переписывают магнитную память с помощью света

На протяжении десятилетий технологии хранения данных на магнитных носителях базировались на использовании магнитного поля для переключения микроскопических областей материала между состояниями, кодирующими единицы и нули. Данный подход сопряжен с высоким энергопотреблением и ограничивает скорость переключения битов информации.

Сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) предложили альтернативный путь, применив специально сконструированный световой луч для перезаписи магнитной информации. Эксперименты подтвердили возможность оптического переключения в магнитном материале значительно большей толщины по сравнению с ранее известными образцами. Процесс характеризуется независимостью реверса намагниченности от спиральности излучения.

Преодоление ограничений тонких пленок

Ранее успешное оптическое переключение фиксировалось только в магнитных структурах, содержащих не более трех слоев. Увеличение толщины материала подавляло эффект, что ограничивало физические параметры памяти и потенциально снижало способность к сохранению данных. Кроме того, исследователи были вынуждены использовать строго определенную поляризацию света.

Вместо поиска новых материалов команда UCSD модифицировала саму природу излучения. «Мы оптически сконструировали свет так, чтобы изменить физику процессов, происходящих в материале на микро- и наноуровне», — пояснил Мухаммад Валид Халид, ведущий исследователь и докторант UCSD.

Механизм сверхбыстрого переключения

Для работы использовался ультракороткий импульсный лазер, энергия которого концентрировалась в экстремально малой области. При уменьшении диаметра фокусного пятна до значений менее 1,36 микрона переключение становилось независимым от спиральности. Форма луча позволяла управлять локальным нагревом и оптическими моментами силы, воздействующими на материал.

Тестирование проводилось на магнитном материале, состоящем из девяти чередующихся слоев платины и кобальта. Эта толщина существенно превышала лимит в три слоя, характерный для предыдущих экспериментов. Полученные результаты показали, что материал способен подвергаться реверсу намагниченности без зависимости от спиральности, устраняя ключевое ограничение существующих методов.

Перспективы плотности и скорости

Процесс переключения реализуется через последовательность ультракоротких лазерных импульсов. Первые импульсы нагревают крошечную область, создавая зону с обратной намагниченностью, а последующие расширяют эту область до стабильного состояния. По оценкам авторов, оптическое переключение может быть более чем в 1000 раз быстрее методов с использованием внешних магнитных полей.

Поскольку размер переключенной области определяется зоной депонирования энергии сфокусированного света, уменьшение диаметра луча позволит увеличить плотность упаковки магнитной информации. «Чем меньше размер луча, тем меньше и плотнее оптическая память», — отметил Абдулай Ндао, старший научный сотрудник и профессор инженерного факультета имени Джейкобса при UCSD.

Верификация и дальнейшие шаги

Необычность результатов потребовала многократного повторения экспериментов для подтверждения их достоверности перед научным сообществом. «Эффекты были настолько новыми и необычными, что нам было трудно убедить коллег в том, что открытие не является случайностью. Мы потратили много времени и усилий на повторение и верификацию наших экспериментов, чтобы обосновать нашу работу перед специалистами в области оптики», — добавил Халид.

Исследование демонстрирует, что вместо переработки магнитного материала можно изменять свойства самого света. «Вместо проектирования нового материала для обеспечения оптического переключения мы перепроектировали сам свет и показали новые свойства, которые ранее считались невозможными», — подчеркнул Ндао.

Однако технология пока далека от коммерческого применения. Требуемый специализированный ультракороткий лазер сложно интегрировать в компьютерные чипы. Исследователи изучают магнитные материалы, способные давать аналогичные эффекты с использованием лазеров, совместимых с электронными системами. Также планируется дальнейшее сужение луча до нескольких сотен нанометров с помощью структур, ограничивающих свет в еще меньших пространствах.

Работа опубликована в журнале Nature Communications.