Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали способ записывать цифровую информацию с помощью света, а не магнитных полей; если технология дойдет до устройств, это может дать более плотную и энергоэффективную память. . Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Свет может заменить магнитное поле

В жестких дисках и других устройствах хранения информации цифровые данные кодируются магнитными состояниями небольших участков материала, соответствующими нулям и единицам. Для переключения этих состояний обычно используют внешнее магнитное поле. Новый подход предполагает применение света для изменения намагниченности материала.

По оценке исследователей, оптическое переключение потенциально может быть более чем в тысячу раз быстрее методов, основанных на использовании внешнего магнитного поля. Кроме того, возможность воздействовать на чрезвычайно малые участки материала может повысить плотность записи, позволяя хранить больше информации на меньшей площади. Однако эти преимущества пока рассматриваются как потенциальные возможности технологии, а не как характеристики готового устройства памяти.

Специально сформированный свет снимает прежние ограничения

Ранее оптическое переключение удавалось продемонстрировать только в очень тонких магнитных структурах, состоящих максимум из трех слоев. Кроме того, для достижения эффекта требовался свет определенной поляризации. При увеличении толщины материала переключение подавлялось, что ограничивало возможности применения метода.

Команда под руководством профессора Абдулая Ндао из инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего решила эту проблему, изменив не сам материал, а характеристики светового луча. С помощью специальной оптической системы исследователи сформировали и сконцентрировали импульсы сверхбыстрого лазера на чрезвычайно малом участке поверхности.

В экспериментах им удалось переключить магнитное состояние структуры из девяти чередующихся слоев платины и кобальта. Также выяснилось, что для этого больше не требуется определенная поляризация света.

«Вместо разработки нового материала, который позволил бы осуществлять оптическое переключение, мы изменили сам свет и продемонстрировали свойства, которые ранее считались невозможными», — отметил Ндао.

Как лазер записывает магнитную информацию

Метод основан на воздействии нескольких сверхкоротких лазерных импульсов на одну область материала. Первые импульсы нагревают небольшой участок, создавая область с измененным направлением намагниченности. Последующие импульсы постепенно расширяют ее, пока новое магнитное состояние не становится устойчивым.

Таким образом, свет позволяет управлять магнитными состояниями без внешнего магнитного поля. При этом размер области, на которую воздействует луч, имеет принципиальное значение для потенциальной плотности записи.

«Чем меньше размер светового луча, тем меньше и плотнее может быть оптическая память», — пояснил Ндао.

Исследование объединило специалистов по оптике и магнитным материалам. Первый автор работы, аспирант Мухаммад Валид Халид, отметил, что необычные результаты пришлось многократно проверять, чтобы подтвердить воспроизводимость эффекта.

Что мешает внедрению технологии

До появления устройств хранения данных, использующих этот принцип, необходимо решить несколько технических задач. Главная из них — интеграция специализированного сверхбыстрого лазера в электронные системы. Используемое оборудование пока сложно непосредственно встроить в компьютерные микросхемы. Поэтому ученые также изучают возможность применения магнитных материалов, в которых аналогичного эффекта можно будет добиться с помощью более компактных и удобных для интеграции лазеров.

Еще одно направление работы — дальнейшее уменьшение светового луча до нескольких сотен нанометров. Для этого исследователи рассматривают оптические структуры, способные концентрировать свет в еще меньшем пространстве. Если эти задачи удастся решить, разработка может стать основой для более плотной записи цифровой информации и ускорения операций с магнитной памятью. Однако пока исследователи продемонстрировали физический принцип в лабораторных условиях. Его практическая эффективность, энергопотребление в составе готового устройства и возможность массового производства еще требуют проверки.