超快的激光方式把数据写入存储设备

现代生活离不开数据，这意味着我们需要新的，快速的，节能的方式来读取数据和把数据写入存储设备。在过去十年中，随着磁性材料全光学开关(AOS)的发展， 基于光学的方法即使用激光脉冲来写入数据而不是靠材料的磁性而受到广泛的关注。AOS 虽然快速而且节能，但精度方面有问题。Eindhoven University of Technology的研究人员设计了一种新方法，利用磁铁材料作为参考层，用激光脉冲将数据准确地写入钴-钆(Co/Gd)薄膜层。他们的研究发表在《Nature Communications》上。

硬盘和其他设备中的磁性材料存储数据为计算器二进位制，比如0 和 1是以磁场自旋方向要么向上或向下规定的。传统的做法是通过移动磁性材料上方的小磁铁把数据读取和写入硬盘。但随着对数据产生，消耗，获取和存储的需求不断增加，对更快，更节能的获取，存储和记录数据方法的需求也越来越大。

对确定性单脉冲 AOS的需求

磁性材料全光学开关 (AOS) 在速度和能源效率方面来看是一种有效的方法。AOS 使用飞秒激光脉冲在皮秒量级上转换磁场的自旋。两种机制可用于写入数据：多脉冲和单脉冲转换。在多个脉冲转换中，自旋的最终方向(即向上或向下)是确定的，这意味着可以通过光的极化方向提前确定。但这种机制通常需要多个激光器，这会导致写入的速度和效率降低。

另一方面，单脉冲的数据写入会快得多，但对单脉冲 AOS 的研究表明，转换是一个触发的过程。这意味着在更改某一种磁场比特的状态，需要首先知道这个磁场比特当前状态。换句话说，必须先读取比特位的状态，然后才能重新写入，从而将读取阶段引入到写入过程，从而限制了写入速度。

确定性单脉冲 AOS 是一个更好的方法，其中一个比特位的最终方向仅取决于用于设置和重置这个比特位的过程。TU/e应用物理系纳米结构组的研究人员目前展示了一种新方法，这种方法可实现确定性单脉冲写入磁性存储材料中，使写入过程更加准确。

参考层和间隔层的重要性

TU/e的研究人员在实验中设计了一个由三层薄膜组成的写入系统，由钴（Co）和镍（Ni）组成的铁磁的参考层，这层可帮助或者是阻止自旋在自由层中的转换，导电铜(Cu)间隔层或间隙层，以及可光学转换的Co/Gd自由层。整个组合层的厚度小于 15 nm。

一旦被飞秒激光激发，参考层在不到一皮秒时间内消磁。在参考层中与自旋相关的一些失去的角动量随后被转换成由电子携带的自旋电流。电流中的自旋与参考层中的自旋方向一致。然后，这个自旋的电流从参考层穿过铜 间隔层(参见图中的白色箭头)移至自由层，它可以帮助或防止自旋在自由层中的切换。这取决于参考层和自由层的相对自旋方向。

当改变激光能量时会观察到两个区域。首先，当超过一个临界值时，自由层中的最终自旋方向完全由参考层决定；其次，当超过一个更高的临界值时就会观察到自旋方向的切换。研究人员表明，这两个区域结合使用可以准确写入自由层中的自旋状态，而不用考虑其在写入过程中的初始状态。这一发现为日益增长的数据存储设备带来了重要的进展。