Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метод управления магнетизмом при помощи света. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Communications. В перспективе такой подход способен ускорить запись цифровых данных, сделать её более плотной и менее затратной по энергии.
Современные жёсткие диски и другие накопители хранят цифровую информацию в виде единиц и нулей, которые кодируются крошечными намагниченными участками. Для записи новых данных обычно приходится прикладывать внешнее магнитное поле, меняющее направление этих участков. Такой способ требует заметных энергозатрат и ограничивает скорость записи.
Команда из Сан-Диего продемонстрировала иной подход — оптическое переключение, при котором магнитное состояние меняется под действием света. Свет доставляет энергию очень короткими импульсами и может быть сфокусирован на крайне малых площадях. По оценке исследователей, оптическое переключение способно обеспечить скорость более чем в тысячу раз выше по сравнению с методами, основанными на внешнем магнитном поле.
Чтобы этого добиться, специалисты применили особый сверхбыстрый лазер и тщательно изменили форму и размеры его луча. Полученный пучок оказался существенно меньше тех, что использовались в прежних экспериментах, — уменьшение составило десятки порядков величины. Столь точный контроль над светом открывает возможность хранить гораздо больше информации на ограниченном пространстве: направляя энергию лазера на небольшие магнитные области, будущие устройства памяти смогут вмещать больше данных без увеличения физических размеров. «Чем меньше размер луча, тем меньше и плотнее оптическая память», — отметил старший автор работы Абдулай Ндао, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.
До сих пор оптическое переключение сталкивалось с двумя серьёзными ограничениями. Прежние опыты удавались только на очень тонких магнитных структурах, содержащих не более трёх магнитных слоёв, а сам процесс требовал света с определённой поляризацией. «В прошлых экспериментах выяснилось, что при увеличении толщины материала сверх трёх слоёв оптическое переключение подавляется, — пояснил Ндао. — Это ограничивало общую толщину магнитного материала, а значит, и его способность долго сохранять память». Подобные рамки снижали практическую ценность оптической памяти, ведь более толстые структуры помогают удерживать записанную информацию длительное время.
Изменив форму и уменьшив размер лазерного луча, Ндао с коллегами обошли оба препятствия. Они показали оптическое переключение в заметно более толстой структуре из девяти чередующихся слоёв платины и кобальта, причём процесс шёл без требования к поляризации света. «Мы оптически спроектировали свет так, чтобы изменить физику, происходящую в материале на микро- и наноуровне», — сказал первый автор работы Мухаммад Валед Халид, аспирант той же кафедры. Метод заключается в концентрации энергии лазера в очень малой области и подаче серии сверхбыстрых импульсов: первые импульсы кратко нагревают локальный участок и разворачивают его намагниченность, а последующие постепенно расширяют этот участок, пока новое состояние не станет устойчивым. Работа велась совместно со специалистом по тонкоплёночным магнитным материалам Эриком Фуллертоном, и вместо создания нового материала учёные перестроили сам свет, показав ранее считавшиеся невозможными свойства.