基于激光的超快存储数据写入

现代生活围绕着数据，这意味着我们需要新的、快速的、节能的方法来读写存储设备上的数据。在过去十年中，随着磁性材料全光开关(AOS)技术的发展，利用激光脉冲代替磁头写入数据的光学方法受到了相当多的关注。虽然快速、节能，但AOS的精确度不是很高。最近，埃因霍温理工大学（TU/e）的研究人员发明了一种新的方法，利用铁磁性材料作为参考，用激光脉冲将数据精确写入钴钆(Co/Gd)层。相关研究发表在《自然通讯》上。

硬盘驱动器以及其他设备中的磁性材料以计算机位的形式存储数据（即0和1），磁自旋的方向可以向上或向下。传统上，通过在硬盘上移动一个小磁头来读取和写入数据。然而，随着对数据生产、消费、访问和存储的需求不断增加，人们希望能以更快、更节能的方法来访问、存储和记录数据。

需要确定性单脉冲AOS

磁性材料全光开关(AOS)在速度和能源效率方面是一个很有前景的方法。AOS利用飞秒激光脉冲在皮秒尺度上改变磁旋的方向。有两种机制可用于写入数据:多脉冲和单脉冲开关。在多脉冲开关中，自旋的最终方向(比如，向上或向下)是确定的，这意味着可以预先通过光的偏振确定它。然而，这种机制通常需要多个激光器，从而降低了写入速度和效率。另一方面，用单脉冲写入速度会快得多，但对单脉冲AOS的研究表明，其开关是一个切换过程。这意味着要改变特定磁性位的状态，需要先了解其已存在状态。换句话说，比特的状态必须先被读取，然后才能被覆盖。这就给写入过程引入了一个读过程，从而限制了速度。

一个更好的方法是使用确定性单脉冲AOS，其中位的最终方向只取决于设置和重置位这一过程。现在，来自TU/e应用物理系纳米结构物理组的研究人员提出了一种新的方法，可以在磁存储材料中实现确定性单脉冲写入，从而使写入过程更加精确。

参考层和间隔层的重要性

在他们的实验中，TU/e的研究人员设计了一个由三层结构组成的写入系统——由钴和镍制成的铁磁参考层，以辅助或阻止自由层的自旋切换、导电的铜(Cu)隔离层或间隙层以及光可切换的Co/Gd自由层。结合层的厚度小于15nm。

一旦被飞秒激光激发，参考层就会在不到1皮秒的时间内消磁。其中，与自旋相关的部分损失角动量随后被转换成电子携带的自旋电流，且电流中的自旋与参考层中的自旋方向一致。然后，自旋电流从参考层通过铜间隔层(见图中的白色箭头)移动到自由层，进而帮助或阻止自由层的自旋切换。帮助或阻止则取决于参考层和自由层的相对自旋方向。

  改变激光的能量会导致两种状态。首先，在某个阈值之上，自由层中的最终自旋方向完全由参考层决定;其次，在一个更高的阈值之上，则观察到切换作用。研究人员已经证明，这两种机制一起可以用于精确写入自由层的自旋状态，而不需要在写入过程中考虑其初始状态。这一发现为扩展未来的数据存储设备奠定了坚实的基础。