Инженеры из University of California San Diego продемонстрировали оптическое переключение магнитных состояний в девятислойной структуре — прорыв, который может ускорить запись данных в тысячу раз.
Представьте жесткий диск, который записывает данные не магнитной головкой, а лучом света. Звучит как фантастика, но инженеры University of California San Diego уже сделали первый шаг к этому. Они научились переключать намагниченность материала с помощью специально сформированных лазерных импульсов — и это в корне меняет правила игры.
Традиционные накопители хранят единицы и нули в виде крошечных магнитных областей. Чтобы переключить такое состояние, нужен внешний магнит — процесс энергозатратный и не самый быстрый. Ученые из UCSD пошли другим путем: вместо магнита используют свет. Оптическое переключение позволяет доставлять энергию молниеносно и концентрировать её на крошечном участке.
Что именно сделали в University of California San Diego
Раньше оптическое переключение работало только в очень тонких структурах — не более трех магнитных слоев. Стоило увеличить толщину, и эффект исчезал. Это ограничивало и долговечность памяти, и её потенциал. Команда UCSD обошла барьер: они провели эксперимент на структуре из девяти чередующихся слоев платины и кобальта.
Ключевой трюк — управление формой и размером лазерного пятна. Когда размер светового пятна становится меньше 1,36 мкм, переключение происходит независимо от спиральности света, то есть от направления вращения поляризации. Это заметный шаг вперед по сравнению с предыдущими работами.
«Чем меньше размер луча, тем меньше и плотнее оптическая память», — объясняет Абдулай Ндао, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники в Jacobs School of Engineering при UC San Diego.
Как работает переключение намагниченности
Процесс происходит не одним импульсом, а их последовательностью. Первый импульс локально нагревает материал и создает небольшой участок с противоположной намагниченностью. Следующие импульсы постепенно расширяют эту область, пока вещество намагниченность не перейдет в новое устойчивое состояние.
Исследователи могут управлять процессом, изменяя форму и размер лазерного пятна. Это позволяет контролировать локальный нагрев и силы, воздействующие на магнитную структуру. Чем меньше область воздействия, тем меньше потенциально может быть записываемый бит.
«Мы оптически спроектировали свет, чтобы изменить физику, происходящую в материале на микро- и наноуровне», — говорит Мухаммад Валид Халид, первый автор исследования и аспирант в группе Ндао.
По оценке авторов, такой способ оптического переключения может быть более чем в 1000 раз быстрее методов, использующих внешнее магнитное поле. Если удастся уменьшить размер светового пятна до нескольких сотен нанометров, технология потенциально позволит значительно увеличить плотность хранения данных.
Что мешает внедрению
Исследование опубликовано в Nature Communications, но до коммерческих продуктов еще далеко. Технология требует специализированного лазера, который пока невозможно интегрировать в компьютерные чипы. Ученые работают над уменьшением луча и ищут материалы, которые могли бы работать с более обычными лазерами.
«Эффекты, которые мы наблюдали, были настолько новыми и необычными, что нам было трудно убедить коллег, что наше открытие не разовая случайность. Мы потратили много времени и усилий, повторяя и проверяя эксперименты», — признается Халид.
Тем не менее, прорыв уже состоялся. Переключение намагниченности светом вместо магнита — это не просто красивая научная статья, а заявка на будущее, где жесткие диски станут быстрее, компактнее и энергоэффективнее.