加州大學聖地亞哥分校研發新技術 以光學方式快速重寫磁性記憶資料

數十年以來，磁性數據存儲依賴於利用磁場將材料的小區域在代表 1 和 0 的狀態之間進行翻轉的基本概念。然而，磁場消耗能量，並限制這些位元的切換速度。現在，加州大學聖地亞哥分校 (UCSD) 的工程師展示了一條不同的途徑，利用特別設計的光來重寫磁性資訊。他們的實驗顯示，光學切換可以在比先前所示更厚的磁性材料中運作，並實現獨立於螺旋性的磁化反轉。這種方法最終可以使磁性存儲更快、更密集且更節能。

光學切換的挑戰

挑戰在於，讓光切換磁性並不簡單。早期的實驗顯示，光學切換僅在不超過三層的磁性堆疊中有效。將材料做得更厚會抑制這一效應，限制了存儲器的物理設計，並可能影響其保持資訊的能力。研究人員還必須使用特定的光偏振。UCSD 團隊並未尋找能克服這些限制的其他材料，而是改變了光本身。負責研究的博士生穆罕默德·瓦利德·卡立德表示：「我們已經從光學上設計了光，使其改變材料在微觀和納米級的物理現象。」

研究人員利用一台超快鐳射器，並對其光束進行工程設計，使其能量集中到一個極小的區域。當聚焦點減小至 1.36 微米以下時，切換變得獨立於螺旋性。通過改變光束的形狀，他們能夠改變對材料的局部加熱和光學扭矩，從而改變其磁化對光的反應。他們在由九層交替的鉑和鈷製成的磁性材料上測試了這一方法，這一厚度大大超過了早期實驗中的三層限制。研究人員發現，該材料可以實現獨立於螺旋性的磁化反轉，克服了早期方法的一個主要限制。

切換過程是通過一系列超快鐳射脈衝來實現的。第一個脈衝將足夠的能量集中到一個小點，從而加熱小區域並創建一個反向磁區。隨後的脈衝使該切換區域擴大，直到達到穩定狀態。卡立德補充道：「使用專用鐳射使我們能夠從光學上設計光束，使其具有特定的形狀和大小。這使我們有空間探索更基本的物理現象，而這些在傳統的光束鐳射中是無法做到的。」

光學切換的潛力

研究人員估計，光學切換最終可能比使用外部磁場的方法快超過 1,000 倍。此外，由於切換區域由緊密聚焦的光線能量沉積的位置決定，縮小光束可能使磁性資訊的密度更高。UCSD 雅各布工程學院的高級研究員兼教授阿布杜來·恩達奧表示：「光束越小，光學記憶的大小和密度就越小。」這些不尋常的結果並不容易確立。團隊反復測試實驗，因為這些效應與研究人員之前觀察到的結果相差甚遠。

卡立德表示：「我們所看到的效應是如此新穎和不尋常，以至於我們很難說服該領域的其他人相信我們的發現不是一次性的偶然。我們花了很多時間和精力重複和驗證我們的實驗，以證實我們的工作對光學社羣的價值。」研究人員展示了通過精確塑造光來改變材料反應的方式，而不是重新設計磁性材料以實現光學切換。恩達奧指出：「我們不是設計一種新材料來實現光學切換，而是重新設計光本身，並展示出之前認為不可能的新特性。」

然而，所提出的技術距離在商業存儲設備中使用仍然相距甚遠。目前所需的專用超快鐳射難以集成到計算機晶片中。因此，研究人員正在探索能與電子系統兼容的鐳射產生類似效應的磁性材料。它們還希望進一步縮小光束，潛在地縮小至幾百納米，使用可以將光限制在更小空間內的光學結構。如果成功，這將提供一種方法來研究和最終控制小於傳統磁性切換所能達到的規模的磁性。這項研究發表於《自然通訊》期刊。

光學重寫技術的未來挑戰

這項研究展示了光學切換磁性資料的潛力，可能顛覆現有的磁性存儲技術。然而，技術的商業化仍面臨挑戰，尤其是專用超快鐳射的整合問題。研究人員需探索與電子系統兼容的解決方案，並進一步縮小光束以提升磁性資訊的密度。這項技術的成功應用將可能推動更快速、更高效的資料存儲方式，對未來的數據處理和存儲技術具有重要意義。