Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали способ управлять магнитными состояниями материалов с помощью света. В перспективе эта технология позволит создавать более быстрые, компактные и энергоэффективные устройства хранения данных. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Современные жесткие диски и другие магнитные системы хранения записывают информацию с помощью крошечных участков материала, которые представляют нули и единицы. Для записи новых данных обычно необходимо воздействовать на них внешним магнитным полем, изменяя направление намагниченности. Этот процесс требует энергии и ограничивает скорость записи.

Альтернативный подход, который изучают американские исследователи, основан на оптическом переключении — изменении магнитного состояния материала с помощью света. По оценке ученых, такой метод потенциально способен обеспечить скорость записи более чем в тысячу раз выше, чем традиционные способы с использованием внешнего магнитного поля, рассказывает sciencedaily.com.

Как лазер помогает записывать информацию

Чтобы управлять магнитными состояниями, команда использовала специализированный сверхбыстрый лазер и изменила форму и размер его луча. В результате исследователям удалось получить существенно более компактный световой пучок, чем в предыдущих экспериментах.

Чем меньше область воздействия лазера, тем меньшие магнитные участки можно использовать для хранения информации. Это потенциально позволит увеличить плотность записи и размещать больше данных на той же площади.

«Чем меньше размер луча, тем меньше и плотнее может быть оптическая память», — объяснил руководитель исследования Абдулайе Ндао, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Джейкобса при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

До сих пор у оптического переключения было два существенных ограничения. Во-первых, в предыдущих экспериментах эффект удавалось получить только в очень тонких магнитных структурах, состоящих максимум из трех слоев. Во-вторых, для переключения требовался свет с определенной поляризацией — заданной ориентацией электромагнитных колебаний.

Ограничение по толщине особенно важно для устройств хранения данных: более толстые магнитные структуры могут лучше удерживать записанную информацию в течение длительного времени.

«Ранее эксперименты показывали, что увеличение толщины материала более чем до трех слоев подавляет оптическое переключение. Это ограничивало общую толщину магнитного материала и, следовательно, его способность долго сохранять информацию», — отметил Ндао.

Девять слоев вместо трех

Изменив форму и размер лазерного луча, исследователи смогли преодолеть оба ограничения. Им удалось продемонстрировать оптическое переключение в структуре из девяти чередующихся слоев платины и кобальта. Кроме того, эффект наблюдался без необходимости использовать свет с определенной поляризацией.

«Мы изменили свойства самого света, чтобы повлиять на физические процессы в материале на микро- и наномасштабе», — рассказал первый автор работы Мухаммад Валид Халид, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники, работающий в исследовательской группе Ндао.

Метод основан на последовательности сверхкоротких лазерных импульсов. Первые импульсы ненадолго нагревают небольшой участок магнитного материала, заставляя его изменить направление намагниченности. Последующие импульсы постепенно расширяют область с измененным магнитным состоянием, пока оно не становится устойчивым.

Таким образом, ученые смогли управлять магнитными свойствами материала с помощью точно сформированного светового пучка, добившись результата, недоступного при использовании обычных лазерных лучей.

«Специализированный лазер позволил нам сформировать луч с заданными размером и формой. Это дало возможность исследовать фундаментальные физические процессы, которые нельзя изучать с помощью обычных лазеров», — пояснил Халид.

Почему ученым пришлось многократно повторять эксперименты

Результаты оказались настолько неожиданными, что исследователям было непросто убедить научное сообщество в их достоверности. Эффекты противоречили представлениям, сложившимся на основе предыдущих экспериментов, поэтому команде пришлось многократно повторять измерения и проверять полученные данные.

«Наблюдаемые эффекты были настолько новыми и необычными, что нам было трудно убедить коллег в том, что это не случайный результат. Мы потратили много времени и сил на повторение и проверку экспериментов, чтобы подтвердить наши выводы», — рассказал Халид.

Важную роль сыграло сотрудничество специалистов по оптике и магнитным материалам. Команда Ндао объединилась с Эриком Фуллертоном, экспертом по тонкопленочным магнитным структурам и профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Вместо того чтобы разрабатывать новый материал с необычными магнитными свойствами, ученые сосредоточились на другом подходе — изменении самого света, который воздействует на уже существующий материал.

«Вместо создания нового материала для оптического переключения мы изменили свет и продемонстрировали свойства, которые ранее считались невозможными», — отметил Ндао.

Что мешает внедрить технологию в компьютеры

Несмотря на перспективные результаты, до появления практических устройств на основе этой технологии еще далеко. Одна из главных проблем — необходимость использовать специализированный сверхбыстрый лазер, который пока трудно интегрировать непосредственно в компьютерные чипы.

Поэтому исследователи ищут материалы, способные обеспечить аналогичный эффект при использовании лазерных систем, более подходящих для электронной аппаратуры.

Еще одно направление работы — дальнейшее уменьшение размера светового пучка. Команда рассчитывает довести его до нескольких сотен нанометров, изучая оптические структуры, способные концентрировать свет на все меньшей площади.

Если эти инженерные задачи удастся решить, оптическое переключение может стать основой для новых устройств памяти с высокой плотностью хранения данных и значительно более быстрой записью.

Однако пока речь идет об экспериментальной демонстрации физического принципа, а не о готовой технологии для потребительской электроники. Предстоит выяснить, удастся ли перенести результаты лабораторных экспериментов в компактные, надежные и экономичные устройства.