Ultrahurtig laserbaseret skrivning af data til lagerenheder

Det moderne liv kredser om data, hvilket betyder, at vi har brug for nye, hurtig, og energieffektive metoder til at læse og skrive data på vores lagerenheder. Optisk-baserede tilgange, som bruger laserimpulser til at skrive data i stedet for magneter, har fået betydelig opmærksomhed i løbet af det sidste årti efter udviklingen af ​​optisk kobling (AOS) til magnetiske materialer. Selvom det er hurtigt og energieffektivt, AOS har problemer med præcision. Forskere ved Eindhoven University of Technology har udtænkt en ny metode til nøjagtigt at skrive data til et kobolt-gadolinium (Co/Gd) lag med en laserpuls ved hjælp af et ferromagnetisk materiale som reference for at hjælpe med skriveprocessen. Deres forskning er publiceret i Naturkommunikation .

Magnetiske materialer i harddiske og andre enheder gemmer data som computerbits, dvs. 0'ere og 1'ere, i magnetiske spins orienteret enten op eller ned. Traditionelt, data læses fra og skrives til en harddisk ved at flytte en lille magnet hen over materialet. Imidlertid, med efterspørgslen efter dataproduktion, forbrug, adgang, og lageret stiger konstant, der er betydelig efterspørgsel efter hurtigere og mere energieffektive metoder til at få adgang til, butik, og registrere data.

Behovet for deterministisk enkeltpuls AOS

All-optical switching (AOS) af magnetiske materialer er en lovende tilgang med hensyn til hastighed og energieffektivitet. AOS bruger femtosekund-laserimpulser til at ændre orienteringen af ​​magnetiske spins på picosekund-skalaen. To mekanismer kan bruges til at skrive data:multiple puls og single puls switching. Ved multipulsskift, den endelige orientering af spins (dvs. op eller ned) er deterministisk, hvilket betyder, at det kan bestemmes på forhånd af lysets polarisering. Imidlertid, denne mekanisme kræver typisk flere lasere, hvilket sænker skrivehastigheden og effektiviteten.

På den anden side, en enkelt puls til at skrive ville være meget hurtigere, men undersøgelser af enkeltpuls AOS viser, at skift er en skifteproces. Dette betyder, at for at ændre tilstanden af ​​en specifik magnetisk bit, forudgående kendskab til bit er nødvendig. Med andre ord, bitens tilstand skal læses først, før den kan overskrives, som introducerer et læsetrin til skriveprocessen, og dermed begrænser hastigheden.

En bedre tilgang ville være en deterministisk enkeltpuls AOS-tilgang, hvor den endelige retning af en bit kun afhænger af den proces, der bruges til at indstille og nulstille bitten. Nu, forskere fra Physics of Nanostructures-gruppen i Institut for Anvendt Fysik på TU/e ​​har demonstreret en ny tilgang, der kan opnå deterministisk enkeltpulsskrivning i magnetiske lagermaterialer, gør skriveprocessen meget mere præcis.

Vigtigheden af ​​reference- og afstandslagene

For deres eksperimenter, TU/e-forskerne designet et skrivesystem bestående af tre lag - et ferromagnetisk referencelag lavet af kobolt og nikkel, der hjælper eller forhindrer spin-skift i det frie lag, et ledende kobber (Cu) afstandsstykke eller spaltelag, og et optisk omskifteligt Co/Gd-frit lag. Tykkelsen af ​​de kombinerede lag er mindre end 15 nm.

En gang ophidset af en femtosekund laser, referencelaget afmagnetiserer på mindre end et picosekund. Noget af det tabte vinkelmomentum forbundet med spins i referencelaget omdannes derefter til en spinstrøm båret af elektroner. Spindene i strømmen er justeret med spin-retningen i referencelaget.

Denne spinstrøm bevæger sig derefter fra referencelaget gennem Cu-afstandslaget (se hvide pile på billedet) til det frie lag, hvor det kan hjælpe eller forhindre spin-skift i det frie lag. Dette afhænger af den relative spin-orientering af reference- og frie lag.

Variering af laserenergien fører til to regimer. Først, over en tærskel, de endelige spin-orienteringer i det frie lag er helt bestemt af referencelaget, og for det andet, over en højere tærskel, vippeskift observeres. Forskerne har vist, at disse to regimer tilsammen kan bruges til nøjagtig skrivning af spin-tilstandene i det frie lag uden at tage højde for dets begyndelsestilstand under skriveprocessen. Denne konstatering præsenterer et vigtigt fremskridt for at udvide vores fremtidige datalagringsenheder.