現代の生活はデータを中心に展開するため、ストレージデバイス上でデータを読み書きするための新しい、高速で省エネの方法が必要です。磁気材料の全光スイッチング(AOS)技術の開発に伴い、磁石の代わりにレーザーパルスを用いてデータを書く光学的手法が、過去10年間で注目を浴びています。高速でエネルギー効率は高いが、AOS技術は正確さに問題がある。オランダのアイントホーフェン工科大学の研究者は、レーザーパルスを持つコバルトガドリニウム(Co/Gd)層に正確にデータを書き込む参考として、強磁性体を使用する新しい方法を発明しました。彼らの研究はネイチャー・コミュニケーションズに掲載されました。
ハードドライブや他のデバイスの磁気材料は、コンピュータビットの形でデータを格納します。従来、データは材料上の小さな磁石を移動することによってハードディスクに読み込まれ、書き込まれます。しかし、データの生産、消費、アクセス、ストレージの需要が増加し続ける中で、データへのアクセス、保存、記録を迅速かつエネルギー効率の高い方法に対する需要がかなり高まっています。
磁性材料のオールオプティカルスイッチング(AOS)は、速度とエネルギー効率の点で有望な方法です。全光学スイッチは、フェムト秒レーザーパルスを使用して、ピコ秒スケールの磁気スピンの方向を変更します。データ書き込みには、マルチパルススイッチとシングルパルストグルスイッチの2つのメカニズムを使用できます。マルチパルススイッチでは、スピンの最終方向は決定論的であり、これは光の偏光によって事前に決定できることを意味する。しかし、この機構は通常、複数のレーザーを必要とし、書き込みの速度と効率を低下させます。
一方、シングルパルス書き込み速度ははるかに速くなりますが、シングルパルス全光スイッチの研究では、シングルパルススイッチングがスライドプロセスであることが示されています。これは、特定の磁気ビットの状態を変更するには、ビットの事前知識が必要であることを意味します。つまり、BIT の状態は上書きされる前に読み取る必要があり、書き込みプロセスに読み取りフェーズが導入され、速度が制限されます。
より良い方法は、ビットの最終方向がビットの設定とリセットに使用されるプロセスにのみ依存する、決定論的な単一パルス全光スイッチング方式です。現在、アイントホーフェン工科大学応用物理学科ナノストラクチャーグループの研究者は、磁気貯蔵材料の決定的な単一パルス書き込みを達成するための新しい方法を開発し、書き込みプロセスをより正確にしています。
画像ソース: アイントホーフェン工科大学
彼らの実験では、アイントホーフェン工科大学の研究者は、コバルトとニッケルで作られた強磁性参照層の3層からなる筆記体系を設計し、自由層の自由層を助けるか防ぎます。回転スイッチ、導電性銅(Cu)スペーサー層またはギャップ層、および光学的に切り替え可能なCo/Gdフリー層。複合層の厚さは15nm未満である。
フェムト秒レーザーで励起されると、参照層は1ピコ秒未満で消磁される。参照層のスピンに関連する失われた角運動量の一部は、次いで電子によって運ばれるスピン電流に変換される。電流のスピンは、参照レイヤーのスピンと同じ方向にあります。
このスピン電流は、参照層から銅製スペーサー層(図中の白い矢印)を通ってフリーレイヤーに移動し、フリーレイヤーでのスピン切り替えを助けたり防ぐことができます。これは、参照レイヤーとフリーレイヤーの相対的なスピン方向に依存します。
レーザーエネルギーを変更すると、2つの状態が発生します。まず、しきい値を超えると、フリーレイヤの最終的なスピン方向は参照層によって完全に決定されます。第2に、より高い閾値を超えると、スイッチングが観察される。研究者は、これらの2つのメカニズムは、書き込みプロセス中にその初期状態を考慮することなく、自由層のスピン状態を正確に書き込むために使用できることを示しています。この検出は、今後のデータストレージデバイスの拡張に重要な開発を提供します。