Инженери от Калифорнийския университет в Сан Диего демонстрираха начин за манипулиране на магнитна информация с помощта на светлина без външно магнитно поле. Това постижение, съобщено от Newswise Science News, би могло да проправи пътя за по-бързи, по-компактни и по-енергийно ефективни системи за съхранение на данни.

В съвременните твърди дискове и подобни устройства информацията се кодира в малки магнитни области, съответстващи на единици и нули. Обикновено се използва външно магнитно поле за промяна на състоянието на тези области. Подобен подход изисква много енергия и ограничава скоростта на запис.

Светлина вместо магнит

Екип от Калифорнийския университет в Сан Диего предложи различна стратегия – така нареченото оптично превключване, което използва лазерен лъч за промяна на магнитното състояние. Светлината може да пренася енергия много бързо и да я концентрира в малки области, което потенциално позволява много по-ефективен контрол на магнитните битове.

Изследователите изчисляват, че оптичното превключване може да бъде повече от 1000 пъти по-бързо от методите, разчитащи на външно магнитно поле. За да постигнат това, те са използвали ултрабърз лазер и специално проектирана оптична система, която компресира, оформя и фокусира лъча до необичайно малки размери.

Ръководителят на изследването, професор Абдулайе Ндао (Abdoulaye Ndao) от катедрата по електротехника и компютърно инженерство към Калифорнийския университет в Сан Диего, обяснява, че колкото по-малък е размерът на лъча, толкова по-малки и по-плътни могат да бъдат клетките на оптичната памет. Това позволява съхраняването на повече данни в по-малка област.

Преодоляване на ограниченията на предварителните подходи

Преди се смяташе, че оптичното превключване е възможно само в много тънки магнитни структури – с не повече от три магнитни слоя и само с помощта на специфичен тип поляризирана светлина. Увеличаването на дебелината на материала над три слоя, както показаха предишни експерименти, потиска ефекта на превключване, като по този начин ограничава надеждността на дългосрочното съхранение на данни.

Екипът на Ндао успя да преодолее тези ограничения. Те демонстрираха оптично превключване в по-дебел материал, състоящ се от девет редуващи се слоя платина и кобалт. Освен това се оказа, че превключването вече не изисква разчитане на поляризация на светлината.

Първият автор на статията, докторантът Мохамед Уалид Халид, отбелязва, че екипът по същество е „оптично проектирал“ самия лъч, променяйки физическите процеси в материала на микро- и наномащабно ниво.

Как работи оптичното превключване?

Ключът към успеха се крие в плътното фокусиране на енергията на лазерния импулс върху много малка площ и последователното ѝ облъчване със серия от ултрабързи импулси. В тази малка площ първите импулси нагряват областта толкова силно, че се образува зона с противоположна магнитна ориентация. Последващите импулси постепенно разширяват областта на превключване, докато тя стане стабилна.

Според Халид, използването на специализиран лазер е позволило да се контролира формата и размерът на лъча, което отваря възможността за изучаване на фундаментални физически ефекти, които не могат да бъдат изследвани с помощта на конвенционалните лазерни лъчи.

Новостта на ефектите също се превърна в предизвикателство: резултатите изглеждат толкова необичайни, че изследователите е трябвало да повторят и проверят експериментите многократно, за да убедят научната общност, че това не е случайна аномалия.

Сътрудничеството на оптиката и магнитните материали

Проектът събра специалисти от две области, които обикновено имат малко припокриване: оптика и физика на тънките магнитни филми. Оптичната група на Ндао си сътрудничи с Ерик Фулъртън, експерт по тънките магнитни филми и професор по електротехника и компютърно инженерство, химическо инженерство и наноинженерство в Калифорнийския университет в Сан Диего.

Вместо да създава нов материал специално за оптично превключване, екипът е преосмислил самия инструмент – светлината. Те демонстрираха, че чрез промяна на параметрите на лъча могат да се постигнат свойства, считани преди това за непостижими.

Пътят към практическото приложение

Въпреки потенциала си, комерсиализацията все още е далеч. В момента технологията разчита на специализиран ултрабърз лазер, който е трудно да се интегрира директно в микрочиповете.

Едно възможно направление за бъдеща работа, казват изследователите, е да се търсят магнитни материали, които биха произвели подобен ефект, когато се комбинират с по-прости лазери, подходящи за интегриране в електрониката.

Екипът работи и за по-нататъшно намаляване на размера на лазерния лъч – до няколкостотин нанометра. За тази цел те изучават оптични структури, способни да компресират светлината в още по-малки обеми. Целта е да се разбере как специално проектирана светлина може да контролира магнетизма в по-малък мащаб.

Пълните резултати от работата са описани в статия, озаглавена „Optical beam shaping induced reconfigurable magnetic domains“ в списание Nature Communications.

Инженерите са променили магнитните свойства на материал, използвайки контролирана светлина, която първоначално се е родила от любопитството.