現代生活圍繞着數據展開，已經離不開數字信息，這意味着我們需要新的、快速且節能的方法來讀取和寫入存儲設備上的數據。隨着磁性材料的全光開關(AOS)發展，使用激光脈衝而不是磁鐵來寫入數據基於光學的方法，在過去的十年中受到了相當大的關注。雖然AOS速度快、能效高，但在精確度方面存在問題。現在埃因霍温理工大學科學家設計了一種新方法：
利用激光脈衝將數據準確地寫入鈷-釓(Co/Gd)層，使用鐵磁材料作為參考，以幫助寫入過程，其研究成果發表在《自然通訊》期刊上。硬盤驅動器和其他設備中的磁性材料將數據存儲為計算機比特，即0和1，在向上或向下定向的磁自旋中。傳統上，通過在材料上移動一個小磁鐵來從硬盤驅動器讀取數據和將數據寫入硬盤驅動器。然而，隨着對數據生產、消費、訪問和存儲的需求不斷增加，對訪問、存儲和記錄數據的更快、更節能的方法有相當大的需求。
對確定性的單脈衝需求
磁性材料的全光開關(AOS)在速度和能源效率方面是一種很有前途的方法。AOS使用飛秒激光脈衝在皮秒尺度上切換磁自旋的方向。可以使用兩種機制來寫入數據：多脈衝開關和單脈衝開關。在多脈衝切換中，自旋的最終方向(即向上或向下)是確定的，這意味着它可以預先由光的偏振來確定。但是，這種機制通常需要多個激光器，這會降低寫入速度和效率。另一方面，用於寫入的單脈衝會快得多，但對單脈衝AOS的研究表明，切換是一個觸發過程。
這意味着要改變特定磁比特的狀態，需要該比特的先驗知識。換句話説，必須先讀取位的狀態，然後才能覆蓋它，這會將讀取階段引入寫入過程，從而限制速度。更好的方法將是確定性單脈衝AOS方法，其中位的最終方向僅取決於用於設置和重置位的過程。現在，來自埃因霍温理工大學應用物理系納米結構物理小組展示了一種新的方法，可以在磁存儲材料中實現確定性的單脈衝寫入，使寫入過程更加精確。
參考層和間隔層的重要性
在實驗中，研究人員設計了一種由三層組成的寫入系統，由於鈷和鎳的製成或防止自由層中自旋轉換的鐵磁參考層，導電銅(Cu)間隔層或GaP層，以及可光學開關的Co/Gd自由層，結合層的厚度小於15 nm。一旦被飛秒激光激發，參考層就會在不到一皮秒的時間內退磁。然後，與參考層中自旋相關的一些丟失角動量被轉換成由電子攜帶的自旋電流，當前中的自旋與參考層中的自旋方向對齊。
然後，該自旋電流從參考層通過Cu間隔層移動到自由層，在自由層中它可以幫助或阻止自由層中的自旋轉換，這取決於參考層和自由層的相對旋轉方向。改變激光能量會導致兩種狀態：第一，在一個閾值以上，自由層中的最終自旋取向完全由參考層確定，第二，在較高閾值以上，觀察到翻轉切換。研究已經證明，這兩個區域一起可以用於在寫入過程中精確寫入自由層中的自旋態，而無需考慮其初始狀態，這一發現為增強未來數據存儲設備邁進了重要一步。
博科園｜研究/來自：埃因霍温科技大學
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-020-17676-6
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