現(xiàn)代生活圍繞著數(shù)據(jù)展開，已經(jīng)離不開數(shù)字信息，這意味著我們需要新的、快速且節(jié)能的方法來讀取和寫入存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)。

隨著磁性材料的全光開關(guān)(AOS)發(fā)展，使用激光脈沖而不是磁鐵來寫入數(shù)據(jù)基于光學(xué)的方法，在過去的十年中受到了相當(dāng)大的關(guān)注。雖然AOS速度快、能效高，但在精確度方面存在問題?，F(xiàn)在埃因霍溫理工大學(xué)科學(xué)家設(shè)計了一種新方法：

利用激光脈沖將數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(fā)表在《自然通訊》期刊上。硬盤驅(qū)動器和其他設(shè)備中的磁性材料將數(shù)據(jù)存儲為計算機(jī)比特，即0和1，在向上或向下定向的磁自旋中。傳統(tǒng)上，通過在材料上移動一個小磁鐵來從硬盤驅(qū)動器讀取數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)寫入硬盤驅(qū)動器。然而，隨著對數(shù)據(jù)生產(chǎn)、消費、訪問和存儲的需求不斷增加，對訪問、存儲和記錄數(shù)據(jù)的更快、更節(jié)能的方法有相當(dāng)大的需求。

對確定性的單脈沖需求

磁性材料的全光開關(guān)(AOS)在速度和能源效率方面是一種很有前途的方法。AOS使用飛秒激光脈沖在皮秒尺度上切換磁自旋的方向?？梢允褂脙煞N機(jī)制來寫入數(shù)據(jù)：多脈沖開關(guān)和單脈沖開關(guān)。在多脈沖切換中，自旋的最終方向(即向上或向下)是確定的，這意味著它可以預(yù)先由光的偏振來確定。但是，這種機(jī)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，用于寫入的單脈沖會快得多，但對單脈沖AOS的研究表明，切換是一個觸發(fā)過程。

這意味著要改變特定磁比特的狀態(tài)，需要該比特的先驗知識。換句話說，必須先讀取位的狀態(tài)，然后才能覆蓋它，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沖AOS方法，其中位的最終方向僅取決于用于設(shè)置和重置位的過程?，F(xiàn)在，來自埃因霍溫理工大學(xué)應(yīng)用物理系納米結(jié)構(gòu)物理小組展示了一種新的方法，可以在磁存儲材料中實現(xiàn)確定性的單脈沖寫入，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(shè)計了一種由三層組成的寫入系統(tǒng)，由于鈷和鎳的制成或防止自由層中自旋轉(zhuǎn)換的鐵磁參考層，導(dǎo)電銅(Cu)間隔層或GaP層，以及可光學(xué)開關(guān)的Co/Gd自由層，結(jié)合層的厚度小于15 nm。一旦被飛秒激光激發(fā)，參考層就會在不到一皮秒的時間內(nèi)退磁。然后，與參考層中自旋相關(guān)的一些丟失角動量被轉(zhuǎn)換成由電子攜帶的自旋電流，當(dāng)前中的自旋與參考層中的自旋方向?qū)R。

然后，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(zhuǎn)換，這取決于參考層和自由層的相對旋轉(zhuǎn)方向。改變激光能量會導(dǎo)致兩種狀態(tài)：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(zhuǎn)切換。研究已經(jīng)證明，這兩個區(qū)域一起可以用于在寫入過程中精確寫入自由層中的自旋態(tài)，而無需考慮其初始狀態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)為增強(qiáng)未來數(shù)據(jù)存儲設(shè)備邁進(jìn)了重要一步。

博科園｜研究/來自：埃因霍溫科技大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-17676-6

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