Оптичне перемикання дозволить збільшити швидкості жорстких дисків і пристроїв магнітної пам'яті до рівня терагерцового
Дослідники з лабораторії імені Еймса (Ames Laboratory) американського Міністерства енергетики, університету штату Айова (Iowa State University), і Критського університету (University of Crete), Греція, знайшли новий метод перемикання магнітного стану певного виду матеріалів, який працює в тисячі разів швидше, ніж методи, використовувані в сучасних жорстких дисках і інших пристроях магнітної пам'яті. Це відкриття, якому була присвячена стаття в журналі Nature від 4 квітня 2013 року, відкриває дорогу новим високошвидкісних пристроїв магнітної пам'яті, здатним працювати на терагерцовых (10^12 Герц) швидкостях.
Джигэнг Ван (Jigang Wang), вчений-фізик з лабораторії імені Еймса, і його команда використовували надкороткі імпульси лазерного світла, тривалістю в кілька фемтосекунд, для того щоб справити ультрашвидкі зміни в магнітній структурі матеріалу. Під впливом імпульсів світла структура спеціального матеріалу, матеріалу, що володіє властивістю колосального магнітоопору (colossal magnetoresistive materials), змінювалася настільки, що матеріал змінював свої властивості від феромагнетика до магнитоизолятора, що можна використовувати для зберігання інформації в пристрої магнітного зберігання даних наступного покоління.
Якщо на частку американських вчених випала експериментальна частина проекту, то вчені з Критського університету, очолювані Илиасем Е. Перакисом (Ilias E. Perakis), розробили теоретичне обґрунтування всіх спостережуваних явищ і ефектів. "Проблема, пов'язана з магнітною записом, читанням і зберіганням інформації, полягає у швидкості цих процесів, обмежених певними фізичними величинами. Ми продемонстрували, що можна змусити магнітний матеріал переключатися з одного стану в інше дуже швидко, протягом декількох фемтосекунд, при використанні деяких "вивертів" з області квантової механіки і надкоротких імпульсів лазерного світла" - розповів Джигэнг Ван.
У деяких сучасних технологіях магнітного запису інформації вже використовуються промені лазерного світла, фотовозбуждение атомів феромагнітного матеріалу змушує ці атоми нагріватися і коливатися, а прикладене магнітне поле в цьому випадку викликає досить швидке перемикання магнітного стану матеріалу. "Але швидкість такого магнітного перемикання досить низька, магнітні домени, незважаючи на додаткове зовнішнє збудження, "рухаються" дуже повільно і важко", - розповідає Ван, - "Тому, з допомогою наявних технологій магнітної записи практично неможливо або дуже важко дістатися до терагерцовых частот перемикання властивостей матеріалів".
Тому, у своїх дослідженнях вчені звернули пильну увагу на матеріали з колосальним магнетоопором (colossal magnetoresistive materials, CMR). Такі матеріали досить чутливі до впливу зовнішніх магнітних полів, які використовуються для запису даних на магнітну пам'ять. Крім цього, швидкість перемикання властивостей матеріалів CMR настільки висока, що не потрібно застосування додаткового впливу з допомогою високої температури.
"Матеріали CMR мають величезну перспективу для використання в пристроях магнітного запису інформації, але ми ще не до кінця розуміємо як вони працюють, а без цього ще рано говорити про практичному використанні таких матеріалів. Зокрема, ми повинні з'ясувати, що ж саме відбувається під час впливу надкороткого імпульсу лазерного світла, який впливає з магнітними моментами атомів матеріалу, але не встигає його нагріти до високої температури. Це означає, що ми повинні спробувати описати всі процеси з точки зору квантової механіки, поєднаної з магнетизмом. Ми це назвали "квантовий фемто-магнетизм"" - розповідає Ван.
Згідно з наявною інформацією, деякі з видів випробуваних CMR-матеріалів можуть переключити свою магнітне стан під впливом імпульсу світла, тривалістю менше 100 фемтосекунд. Це означає, що перемикання квантового стану спина атомів матеріалу має не теплової, а механічний характер. В добавок до цього швидка швидкість перемикання і сильна залишкова намагніченість відповідають всім основним вимогами для застосування CMR-матеріалів в надшвидких пристроях магнітного запису і зберігання інформації і надшвидкодіючих пристроях, побудованих на основі спінтроніки.
"Надалі ми збираємося розробити абсолютно нові методи повністю оптичного квантового управління і зчитування магнітної інформації. Це, в свою чергу, дозволить нам у майбутньому створити пристрої, здатні записувати і зчитувати інформацію набагато швидше, ніж найкращі сучасні пристрої".