Das moderne Leben dreht sich um Daten, was bedeutet, dass wir neue, schnelle und energiesparende Methoden zum Lesen und Schreiben von Daten auf Speichergeräten benötigen. Mit der Entwicklung der AOS-Technologie (Magnetic Material All-Optical Switching) hat das optische Verfahren zur Verwendung von Laserpulsen anstelle von Magneten zum Schreiben von Daten in den letzten zehn Jahren erhebliche Aufmerksamkeit erhalten. Obwohl schnell und energieeffizient, hat die AOS-Technologie Probleme mit der Genauigkeit. Forscher der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden haben eine neue Methode erfunden, bei der ferromagnetische Materialien als Referenz verwendet werden, um Daten mit Laserpulsen genau in die Kobalt-Gadolinium-Schicht (Co / Gd) zu schreiben. Ihre Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Magnetische Materialien in Festplatten und anderen Geräten speichern Daten in Form von Computerbits. Traditionell werden Daten gelesen und auf die Festplatte geschrieben, indem ein kleiner Magnet auf dem Material bewegt wird. Da jedoch die Nachfrage nach Datenproduktion, -verbrauch, -zugriff und -speicherung weiter zunimmt, besteht eine erhebliche Nachfrage nach schnelleren und energieeffizienteren Methoden für den Zugriff auf, die Speicherung und die Aufzeichnung von Daten.
Das rein optische Schalten (AOS) magnetischer Materialien ist eine vielversprechende Methode in Bezug auf Geschwindigkeit und Energieeffizienz. Der rein optische Schalter verwendet Femtosekundenlaserpulse, um die Richtung des magnetischen Spins auf der Pikosekundenskala zu ändern. Zum Schreiben von Daten können zwei Mechanismen verwendet werden: Mehrpuls- und Einzelpuls-Kippschalter. Bei einem Mehrfachimpulsschalter ist die endgültige Richtung des Spins deterministisch, was bedeutet, dass sie durch die Polarisation des Lichts im Voraus bestimmt werden kann. Dieser Mechanismus erfordert jedoch normalerweise mehrere Laser, was die Geschwindigkeit und Effizienz des Schreibens verringert.
Auf der anderen Seite wird die Einzelpuls-Schreibgeschwindigkeit viel schneller sein, aber die Forschung am volloptischen Einzelpuls-Schalter zeigt, dass das Einzelpuls-Schalten ein Gleitprozess ist. Dies bedeutet, dass zum Ändern des Zustands eines bestimmten Magnetbits Vorkenntnisse des Bits erforderlich sind. Mit anderen Worten, der Zustand des BIT muss gelesen werden, bevor er überschrieben werden kann, was eine Lesephase in den Schreibprozess einführt und dadurch die Geschwindigkeit begrenzt.
Ein besseres Verfahren ist das deterministische rein optische Einzelpuls-Schaltverfahren, bei dem die endgültige Richtung des Bits nur von dem Prozess abhängt, der zum Setzen und Zurücksetzen des Bits verwendet wird. Derzeit haben Forscher der Nanostrukturgruppe des Fachbereichs Angewandte Physik der Technischen Universität Eindhoven eine neue Methode entwickelt, um deterministisches Einzelpulsschreiben in magnetischen Speichermaterialien zu erreichen und den Schreibprozess präziser zu gestalten.
Bildquelle: Technische Universität Eindhoven
In ihrem Experiment haben Forscher der Technischen Universität Eindhoven ein aus drei Schichten bestehendes Schriftsystem entworfen - eine ferromagnetische Referenzschicht aus Kobalt und Nickel, die die freie Schicht in der freien Schicht unterstützt oder verhindert. Drehschalter, eine leitfähige Kupfer (Cu) -Distanzschicht oder Spaltschicht und eine optisch schaltbare Co / Gd-freie Schicht. Die Dicke der Verbundschicht beträgt weniger als 15 nm.
Nach der Anregung durch den Femtosekundenlaser wird die Referenzschicht in weniger als 1 Pikosekunde entmagnetisiert. Ein Teil des verlorenen Drehimpulses, der mit dem Spin in der Referenzschicht verbunden ist, wird dann in einen vom Elektron getragenen Spinstrom umgewandelt. Die Drehungen im Strom sind in der gleichen Richtung wie die Drehungen in der Referenzschicht.
Dieser Spinstrom bewegt sich dann von der Referenzschicht durch die Kupferabstandsschicht (der weiße Pfeil in der Abbildung) zur freien Schicht, wo er helfen oder das Spinschalten in der freien Schicht verhindern kann. Dies hängt von der relativen Spinrichtung der Referenzschicht und der freien Schicht ab.
Das Ändern der Laserenergie verursacht zwei Zustände. Erstens wird oberhalb einer Schwelle die endgültige Spinrichtung in der freien Schicht vollständig durch die Referenzschicht bestimmt; zweitens wird oberhalb einer höheren Schwelle ein Schalten beobachtet. Forscher haben gezeigt, dass diese beiden Mechanismen verwendet werden können, um den Spinzustand der freien Schicht genau zu schreiben, ohne ihren Anfangszustand während des Schreibvorgangs zu berücksichtigen. Diese Entdeckung ist eine wichtige Entwicklung für unsere zukünftige Erweiterung von Datenspeichergeräten.