现代生活围绕着数据展开，已经离不开数字信息，这意味着我们需要新的、快速且节能的方法来读取和写入存储设备上的数据。随着磁性材料的全光开关(AOS)发展，使用激光脉冲而不是磁铁来写入数据基于光学的方法，在过去的十年中受到了相当大的关注。虽然AOS速度快、能效高，但在精确度方面存在问题。现在埃因霍温理工大学科学家设计了一种新方法：
利用激光脉冲将数据准确地写入钴-钆(Co/Gd)层，使用铁磁材料作为参考，以帮助写入过程，其研究成果发表在《自然通讯》期刊上。硬盘驱动器和其他设备中的磁性材料将数据存储为计算机比特，即0和1，在向上或向下定向的磁自旋中。传统上，通过在材料上移动一个小磁铁来从硬盘驱动器读取数据和将数据写入硬盘驱动器。然而，随着对数据生产、消费、访问和存储的需求不断增加，对访问、存储和记录数据的更快、更节能的方法有相当大的需求。
对确定性的单脉冲需求
磁性材料的全光开关(AOS)在速度和能源效率方面是一种很有前途的方法。AOS使用飞秒激光脉冲在皮秒尺度上切换磁自旋的方向。可以使用两种机制来写入数据：多脉冲开关和单脉冲开关。在多脉冲切换中，自旋的最终方向(即向上或向下)是确定的，这意味着它可以预先由光的偏振来确定。但是，这种机制通常需要多个激光器，这会降低写入速度和效率。另一方面，用于写入的单脉冲会快得多，但对单脉冲AOS的研究表明，切换是一个触发过程。
这意味着要改变特定磁比特的状态，需要该比特的先验知识。换句话说，必须先读取位的状态，然后才能覆盖它，这会将读取阶段引入写入过程，从而限制速度。更好的方法将是确定性单脉冲AOS方法，其中位的最终方向仅取决于用于设置和重置位的过程。现在，来自埃因霍温理工大学应用物理系纳米结构物理小组展示了一种新的方法，可以在磁存储材料中实现确定性的单脉冲写入，使写入过程更加精确。
参考层和间隔层的重要性
在实验中，研究人员设计了一种由三层组成的写入系统，由于钴和镍的制成或防止自由层中自旋转换的铁磁参考层，导电铜(Cu)间隔层或GaP层，以及可光学开关的Co/Gd自由层，结合层的厚度小于15 nm。一旦被飞秒激光激发，参考层就会在不到一皮秒的时间内退磁。然后，与参考层中自旋相关的一些丢失角动量被转换成由电子携带的自旋电流，当前中的自旋与参考层中的自旋方向对齐。
然后，该自旋电流从参考层通过Cu间隔层移动到自由层，在自由层中它可以帮助或阻止自由层中的自旋转换，这取决于参考层和自由层的相对旋转方向。改变激光能量会导致两种状态：第一，在一个阈值以上，自由层中的最终自旋取向完全由参考层确定，第二，在较高阈值以上，观察到翻转切换。研究已经证明，这两个区域一起可以用于在写入过程中精确写入自由层中的自旋态，而无需考虑其初始状态，这一发现为增强未来数据存储设备迈进了重要一步。
博科园｜研究/来自：埃因霍温科技大学
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-020-17676-6
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