Zusammenfassung:
Durch die Umformung und Verengung eines ultraschnellen Laserstrahls erreichten Forscher der UC San Diego eine optische Schaltung in einem magnetischen Material, das aus neun abwechselnden Schichten aus Platin und Kobalt besteht, und durchbrachen damit die übliche Grenze der Materialdicke von nicht mehr als drei Schichten in früheren Experimenten. Die Forschungsergebnisse wurden am 15. September in „Nature Communications“ veröffentlicht.
Die digitalen Informationen auf der Festplatte werden durch eine Vielzahl winziger magnetischer Bereiche repräsentiert. Herkömmliche Schreibmethoden basieren in der Regel auf externen Magnetfeldern, um den Zustand der magnetischen Bereiche umzukehren, was viel Energie verbraucht und die Datenschreibgeschwindigkeit begrenzt. Die Forscher schätzen, dass optisches Schalten, bei dem extrem kurze, fokussierbare Lichtimpulse zur Änderung magnetischer Zustände verwendet werden, möglicherweise mehr als tausendmal schneller ist als Methoden, die auf externen Magnetfeldern basieren, in der Vergangenheit jedoch durch die Struktur des magnetischen Materials und die Polarisationsbedingungen des Lichts begrenzt war.
Frühere Experimente ergaben, dass der optische Schalteffekt unterdrückt wird, wenn die Dicke des magnetischen Materials drei Schichten überschreitet, was die Materialdicke und die Fähigkeit, Daten über einen langen Zeitraum zu speichern, einschränkt; Frühe Pläne erforderten außerdem, dass das Licht eine bestimmte Polarisation aufweist, das heißt, die Richtung des elektrischen Feldes muss bestimmte Bedingungen erfüllen. Dieses Mal gelang es dem Team, die neunschichtige Platin-Kobalt-Struktur zu verändern, indem es die Form, Größe und Energieverteilung des Strahls anpasste. Gleichzeitig ist keine spezifische Polarisation mehr erforderlich, was zeigt, dass die Technik des Strahls das Potenzial hat, die Beschränkungen von Materialien und Licht zu durchbrechen.
Der Magnetisierungsumschlag erfolgt schrittweise über mehrere Laserpulse. Die ersten Impulse konzentrieren genügend Wärme in einem winzigen Bereich, um den magnetischen Zustand in diesem Bereich umzukehren; Nachfolgende Impulse erweitern den invertierten Bereich allmählich, bis er sich stabilisiert. Daher hilft die Kontrolle, wo die Lichtenergie einfällt, zu bestimmen, wie magnetisierte Regionen entstehen und sich ausdehnen. Das Forschungsteam sagte, je kleiner der Strahl, desto größer die Chance, in Zukunft auf demselben Raum eine kleinere und dichtere optische Speicherung zu erreichen.
Die Forschung wurde vom Optikteam in Zusammenarbeit mit Experten für magnetische Dünnschichtmaterialien abgeschlossen. Abdoulaye Endao, leitender Autor der Arbeit und Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Schule, sagte, dass das Team nicht das magnetische Material, sondern das Licht selbst neu gestaltet habe, um Eigenschaften zu beobachten, die zuvor nicht für möglich gehalten worden seien. Der Erstautor, Mohammed Walid Khalid, sagte, die experimentellen Ergebnisse seien neu und ungewöhnlich und das Team habe viel Zeit damit verbracht, die Experimente zu wiederholen, um zu bestätigen, dass die Ergebnisse nicht zufällig seien.
Das Team arbeitet derzeit an optischen Strukturen, die Licht auf kleinere Räume beschränken können, mit dem Ziel, den Strahl auf Hunderte von Nanometern zu verkleinern, um zu untersuchen, wie manipuliertes Licht den Magnetismus in kleinerem Maßstab steuern kann. Für den Einsatz in kommerziellen Speichergeräten muss außerdem das Problem gelöst werden, wie die Impulse praktisch erzeugt und abgegeben werden können. Der im Experiment verwendete spezielle ultraschnelle Laser lässt sich derzeit nur schwer in einen Computerchip integrieren. Ein anderer möglicher Weg besteht darin, magnetische Materialien zu finden, die unter der Einwirkung von Lasern ähnliche Effekte erzeugen können und sich leichter integrieren lassen.
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