Het moderne leven draait om gegevens, wat betekent dat we nieuwe, snelle en energiebesparende manieren nodig hebben om gegevens op opslagapparaten te lezen en te schrijven. Met de ontwikkeling van magnetisch materiaal all-optical switching (AOS) -technologie, heeft de optische methode waarbij laserpulsen in plaats van magneten worden gebruikt om gegevens te schrijven, de afgelopen tien jaar veel aandacht gekregen. Hoewel snel en energiezuinig, heeft AOS-technologie problemen met de nauwkeurigheid. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland hebben een nieuwe methode uitgevonden die ferromagnetische materialen gebruikt als referentie om nauwkeurig gegevens in de kobalt-gadolinium (Co / Gd) -laag te schrijven met laserpulsen. Hun onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.
Magnetische materialen in harde schijven en andere apparaten slaan gegevens op in de vorm van computerbits. Traditioneel worden gegevens gelezen en naar de harde schijf geschreven door een kleine magneet op het materiaal te bewegen. Aangezien de vraag naar gegevensproductie, consumptie, toegang en opslag echter blijft toenemen, is er een aanzienlijke vraag naar snellere en energiezuinigere methoden voor toegang tot, opslag en registratie van gegevens.
Volledig optisch schakelen (AOS) van magnetische materialen is een veelbelovende methode in termen van snelheid en energie-efficiëntie. De volledig optische schakelaar gebruikt femtoseconde laserpulsen om de richting van de magnetische spin op de picoseconde schaal te veranderen. Er kunnen twee mechanismen worden gebruikt om gegevens te schrijven: meerpuls- en enkelpuls-tuimelschakelaars. Bij een meerpulsschakelaar is de eindrichting van de spin deterministisch, wat betekent dat deze vooraf bepaald kan worden door de polarisatie van het licht. Dit mechanisme vereist echter meestal meerdere lasers, waardoor de snelheid en efficiëntie van het schrijven afneemt.
Aan de andere kant zal de schrijfsnelheid met één puls veel hoger zijn, maar het onderzoek naar de volledig optische schakelaar met één puls laat zien dat het schakelen met één puls een glijdend proces is. Dit betekent dat om de toestand van een specifiek magnetisch bit te veranderen, voorafgaande kennis van het bit vereist is. Met andere woorden, de toestand van de BIT moet worden gelezen voordat deze kan worden overschreven, wat een leesfase in het schrijfproces introduceert, waardoor de snelheid wordt beperkt.
Een betere methode is de deterministische volledig optische schakelmethode met één puls, waarbij de uiteindelijke richting van de bit alleen afhangt van het proces dat wordt gebruikt om de bit in te stellen en opnieuw in te stellen. Op dit moment hebben onderzoekers van de Nanostructure Group van de faculteit Technische Natuurkunde van de Technische Universiteit Eindhoven een nieuwe methode ontwikkeld om deterministisch schrijven met één puls in magnetische opslagmaterialen te realiseren, waardoor het schrijfproces nauwkeuriger wordt.
Bron afbeelding: Technische Universiteit Eindhoven
In hun experiment ontwierpen onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven een schrijfsysteem dat bestaat uit drie lagen - een ferromagnetische referentielaag van kobalt en nikkel, die de vrije laag in de vrije laag helpt of verhindert. Draaischakelaar, een geleidende koperen (Cu) afstandslaag of spleetlaag, en een optisch schakelbare Co / Gd-vrije laag. De dikte van de composietlaag is minder dan 15 nm.
Eenmaal opgewonden door de femtoseconde laser, wordt de referentielaag gedemagnetiseerd in minder dan 1 picoseconde. Een deel van het verloren impulsmoment dat verband houdt met de spin in de referentielaag, wordt vervolgens omgezet in een spinstroom die door het elektron wordt gedragen. De spins in de stroom zijn in dezelfde richting als de spins in de referentielaag.
Deze spinstroom verplaatst zich dan van de referentielaag door de koperen afstandslaag (de witte pijl in de figuur) naar de vrije laag, waar het spin-switching in de vrije laag kan helpen of voorkomen. Dit hangt af van de relatieve draairichting van de referentielaag en de vrije laag.
Het veranderen van de laserenergie veroorzaakt twee toestanden. Ten eerste wordt boven een drempel de uiteindelijke draairichting in de vrije laag volledig bepaald door de referentielaag; ten tweede, boven een hogere drempel, wordt omschakeling waargenomen. Onderzoekers hebben aangetoond dat deze twee mechanismen kunnen worden gebruikt om nauwkeurig de spintoestand van de vrije laag te schrijven zonder tijdens het schrijfproces rekening te houden met de oorspronkelijke toestand. Deze ontdekking vormt een belangrijke ontwikkeling voor onze toekomstige uitbreiding van gegevensopslagapparaten.