Інженери Університету Каліфорнії в Сан-Дієго продемонстрували спосіб керувати магнітною інформацією за допомогою світла, без використання зовнішнього магнітного поля. Це досягнення, про яке повідомляє Newswise Science News, може стати основою для створення швидших, компактніших і енергоощадніших систем зберігання даних.
У сучасних жорстких дисках і подібних пристроях інформація кодується в крихітних магнітних ділянках, що відповідають 1 та 0. Щоб змінити стан цих ділянок, зазвичай застосовують зовнішнє магнітне поле. Такий підхід потребує багато енергії і обмежує швидкість запису.
Світло замість магніту
Команда UC San Diego запропонувала іншу стратегію — так зване оптичне перемикання, коли магнітний стан змінюється завдяки лазерному променю. Світло може дуже швидко переносити енергію й концентрувати її на малих ділянках, тому воно потенційно дає змогу керувати магнітними бітами значно ефективніше.
За оцінками дослідників, оптичне перемикання може бути більш ніж у 1000 разів швидшим, ніж методи, що покладаються на зовнішнє магнітне поле. Для цього вони використали ультрашвидкий лазер і спеціально спроєктовану оптичну систему, яка стискає, формує й фокусує промінь до надзвично малих розмірів.
Керівник роботи, професор Абдулайє Ндао (Abdoulaye Ndao) з факультету електротехніки та обчислювальної техніки UC San Diego, пояснює, що чим менший розмір променя, тим меншими й щільнішими можуть бути осередки оптичної пам’яті. Це дає змогу вмістити більше даних на меншій площі.
Подолання обмежень попередніх підходів
Раніше вважалося, що оптичне перемикання можливе лише в дуже тонких магнітних структурах — не більш як з трьома магнітними шарами — і лише за використання певного типу поляризованого світла. Збільшення товщини матеріалу понад три шари, як показували попередні експерименти, придушувало ефект перемикання, а отже, обмежувало надійність довготривалого зберігання даних.
Команда Ндао змогла обійти ці обмеження. Вони продемонстрували оптичне перемикання в товстішому матеріалі, що складався з дев’яти чергуючих шарів платини та кобальту. До того ж виявилось, що для перемикання більше не обов’язково покладатися на поляризацію світла.
Перший автор роботи, аспірант Мухаммад Валід Халід (Muhammad Waleed Khalid), зазначає, що команда фактично «оптично інженерувала» сам промінь, змінивши фізичні процеси в матеріалі на мікро- та нано-рівнях.
Як працює оптичне перемикання
Ключ до успіху — у сильному фокусуванні енергії лазерного імпульсу на дуже маленькій ділянці й послідовному опроміненні її серією ультрашвидких імпульсів. На цій малій площі перші імпульси нагрівають область настільки, що формується зона з протилежною магнітною орієнтацією. Наступні імпульси поступово розширюють перемкнену область, поки вона не стає стабільною.
За словами Халіда, використання спеціалізованого лазера дало змогу точно задати форму та розмір променя, що відкриває можливість вивчати фундаментальні фізичні ефекти, які неможливо дослідити за допомогою звичайних лазерних променів.
Новизна ефектів стала й викликом: результати виглядали настільки незвично, що дослідникам довелося багаторазово повторювати й перевіряти експерименти, аби переконати наукову спільноту, що це не випадкова аномалія.
Співпраця оптики та магнітних матеріалів
Проєкт об’єднав фахівців із двох галузей, які зазвичай мало перетинаються: оптики та фізики тонких магнітних плівок. Оптична група Ндао співпрацювала з Еріком Фуллертоном (Eric Fullerton), експертом з магнітних тонких плівок і професором електротехніки, обчислювальної техніки, хімічної та наноінженерії в UC San Diego.
Замість того щоб створювати новий матеріал спеціально для оптичного перемикання, команда переосмислила сам інструмент — світло. Вони показали, що, змінюючи параметри променя, можна отримати властивості, які раніше вважалися недосяжними.
Шлях до практичного застосування
Попри перспективність, до впровадження в комерційні пристрої ще далеко. Нині технологія спирається на спеціалізований ультрашвидкий лазер, який поки що складно інтегрувати безпосередньо в мікрочипи.
Одним із можливих напрямів подальшої роботи дослідники називають пошук таких магнітних матеріалів, які давали б схожий ефект у поєднанні з простішими лазерами, придатними для вбудовування в електроніку.
Команда також працює над тим, щоб ще більше зменшити розмір лазерного променя — до кількох сотень нанометрів. Для цього вивчаються оптичні структури, здатні затискати світло в ще менших об’ємах. Мета — з’ясувати, як спеціально сконструйоване світло може керувати магнетизмом на дедалі менших масштабах.
Повні результати роботи описані в статті під назвою «Optical beam shaping induced reconfigurable magnetic domains» у журналі Nature Communications.
#Інженери #змінили #магнітні #властивості #матеріалу #керованим #світлом
Source link
