Het moderne leven draait om data, wat betekent dat we nieuwe, snel, en energiezuinige methoden om gegevens op onze opslagapparaten te lezen en te schrijven. Optisch gebaseerde benaderingen, die laserpulsen gebruiken om gegevens te schrijven in plaats van magneten, hebben de afgelopen tien jaar veel aandacht gekregen na de ontwikkeling van volledig optische schakeling (AOS) voor magnetische materialen. Hoewel snel en energiezuinig, AOS heeft problemen met precisie. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuwe methode bedacht om met een laserpuls nauwkeurig gegevens naar een kobalt-gadolinium (Co/Gd)-laag te schrijven met behulp van een ferromagnetisch materiaal als referentie om te helpen bij het schrijfproces. Hun onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Magnetische materialen in harde schijven en andere apparaten slaan gegevens op als computerbits, d.w.z. 0s en 1s, in magnetische spins die naar boven of naar beneden zijn georiënteerd. traditioneel, gegevens worden gelezen van en geschreven naar een harde schijf door een kleine magneet over het materiaal te bewegen. Echter, met de vraag naar dataproductie, consumptie, toegang, en opslag wordt steeds groter, er is veel vraag naar snellere en energiezuinigere methoden om toegang te krijgen, winkel, en gegevens vastleggen.

De behoefte aan deterministische single-pulse AOS

All-optical switching (AOS) van magnetische materialen is een veelbelovende benadering in termen van snelheid en energie-efficiëntie. AOS gebruikt femtoseconde laserpulsen om de oriëntatie van magnetische spins op picosecondeschaal te veranderen. Er kunnen twee mechanismen worden gebruikt om gegevens te schrijven:schakelen met meerdere pulsen en schakelen met één puls. Bij meervoudige pulsschakeling, de uiteindelijke oriëntatie van de spins (d.w.z. omhoog of omlaag) is deterministisch, wat betekent dat het van tevoren kan worden bepaald door de polarisatie van het licht. Echter, dit mechanisme vereist meestal meerdere lasers, die de snelheid en efficiëntie van het schrijven vertraagt.

Anderzijds, een enkele puls om te schrijven zou veel sneller zijn, maar studies over AOS met één puls tonen aan dat schakelen een schakelproces is. Dit betekent dat om de toestand van een specifiek magnetisch bit te veranderen, voorkennis van het bit is vereist. Met andere woorden, de toestand van de bit moet eerst worden gelezen voordat deze kan worden overschreven, die een leesfase in het schrijfproces introduceert, en dus de snelheid beperkt.

Een betere benadering zou een deterministische enkelvoudige puls AOS-benadering zijn, waarbij de uiteindelijke richting van een bit alleen afhangt van het proces dat wordt gebruikt om de bit in te stellen en te resetten. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de groep Physics of Nanostructures van de faculteit Technische Natuurkunde van de TU/e ​​hebben een nieuwe aanpak aangetoond waarmee deterministische single-puls schrijven in magnetische opslagmaterialen kan worden bereikt, waardoor het schrijfproces veel nauwkeuriger wordt.

Belang van de referentie- en afstandslagen

Voor hun experimenten, de TU/e-onderzoekers een schrijfsysteem ontworpen dat bestaat uit drie lagen:een ferromagnetische referentielaag van kobalt en nikkel die spin-switching in de vrije laag helpt of voorkomt, een geleidende koperen (Cu) afstands- of spleetlaag, en een optisch schakelbare Co/Gd-vrije laag. De dikte van de gecombineerde lagen is minder dan 15 nm.

Eenmaal opgewonden door een femtoseconde laser, de referentielaag demagnetiseert in minder dan een picoseconde. Een deel van het verloren impulsmoment dat bij de spins in de referentielaag hoort, wordt vervolgens omgezet in een spinstroom die wordt gedragen door elektronen. De spins in de stroom zijn uitgelijnd met de spinoriëntatie in de referentielaag.

Deze spinstroom beweegt dan van de referentielaag door de Cu-afstandslaag (zie witte pijlen in de afbeelding) naar de vrije laag waar het spin-omschakeling in de vrije laag kan helpen of voorkomen. Dit hangt af van de relatieve spinoriëntatie van de referentie- en vrije lagen.

Het variëren van de laserenergie leidt tot twee regimes. Eerst, boven een drempel, de uiteindelijke spinoriëntaties in de vrije laag worden volledig bepaald door de referentielaag, en ten tweede, boven een hogere drempel, toggle-switching wordt waargenomen. De onderzoekers hebben aangetoond dat deze twee regimes samen kunnen worden gebruikt voor het nauwkeurig schrijven van de spintoestanden in de vrije laag zonder rekening te houden met de oorspronkelijke toestand tijdens het schrijfproces. Deze bevinding vormt een belangrijke vooruitgang voor het verbeteren van onze toekomstige apparaten voor gegevensopslag.