北京
基于激光的方法可使磁存储速度提高1000多倍，同时将数据装入更小空间。
几十年来，磁数据存储一直依赖一个总体思路：用磁场在代表1和0的状态之间翻转材料的微小区域。然而，磁场会消耗能量，并限制这些比特的切换速度。
如今，加州大学圣迭戈分校（UCSD）的工程师展示了一种不同途径：利用经过特殊设计的光来重写磁信息。
他们的实验表明，光切换可以在一种比此前演示厚得多的磁性材料中发挥作用，并实现与螺旋度无关的磁化反转。这种方法最终可能有助于使磁存储器更快、更密集、更节能。
挑战在于，让光切换磁性并非易事。早期实验仅在不超过三层的磁性叠层中展示出光切换。
使材料变厚会抑制这种效应，既限制了存储器的物理设计，也可能限制其保留信息的能力。研究人员还必须使用特定偏振态的光。
加州大学圣迭戈分校团队没有去寻找另一种能克服这些限制的材料，而是改变了光本身。“我们通过对光进行光学设计，改变了材料在微米和纳米尺度上发生的物理过程，”该研究首席研究员、UCSD博士生穆罕默德·瓦利德·哈立德说。
缩小并重塑光
研究人员使用超快激光，并对其光束进行工程化设计，使能量集中到极小区域。当聚焦光斑缩小到1.36微米以下时，切换变得与螺旋度无关。
通过整形光束，他们能改变局部加热和作用在材料上的光力矩，从而改变其磁化对光的响应。
他们在一种由九层铂和钴交替组成的磁性材料上测试了该方法。这比早期实验中的三层上限厚得多。
研究人员发现，该材料可发生与螺旋度无关的磁化反转，克服了早期方法的一个主要限制。
磁开关如何工作
切换本身通过一系列超快激光脉冲实现。最初的脉冲将足够能量集中到微小光斑中，加热一个小区域并产生一个反向磁化区域。随后的脉冲则使该已切换区域扩展，直至达到稳定状态。
“使用专用激光使我们能够对光束进行光学设计，使其具有特定形状和大小。这让我们有机会探索更基础的物理，而这是传统光束激光器无法做到的，”哈立德补充说。
研究人员估计，光切换最终可能比使用外部磁场的方法快1000倍以上。此外，由于切换区域取决于紧聚焦光在何处沉积能量，缩小光束可使磁信息封装得更密集。
“光束尺寸越小，光存储器就越小、越密集，”UCSD雅各布斯工程学院教授、资深研究员阿卜杜拉耶·恩道说。
这些不寻常的结果并非一开始就能轻易确立。团队反复测试实验，因为这些效应看起来与研究人员此前观察到的截然不同。
“我们看到的效果如此新颖和不同寻常，以至于我们很难说服该领域的其他人相信我们的发现不是一次偶然。我们花了大量时间和精力重复并验证实验，以向光学界证实我们的工作，”哈立德说。
控制磁性的新方法
研究人员没有重新设计磁性材料来实现光切换，而是证明精心整形光可以改变材料的响应方式。
“我们没有设计一种新材料来实现光切换，而是重新设计了光本身，并展示了此前被认为不可能的新特性，”恩道指出。
然而，所提出的技术距离用于商业存储设备仍很远。目前所需的专用超快激光难以集成到计算机芯片中。
因此，研究人员正在探索磁性材料，这些材料可与更兼容电子系统的激光器产生类似效应。
他们还希望利用能将光限制在更小空间的光学结构，将光束进一步缩小，可能缩至几百纳米。如果成功，这将提供一种途径，在远小于传统磁切换可达到的尺度上研究和最终控制磁性。
该研究发表在《自然-通讯》杂志上。
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