Ultrasnelle laserbeschrijving van gegevens naar opslagapparaten

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Magnetische materialen in harde schijven en andere apparaten slaan gegevens op als computerbits (d.w.z. nullen en enen) in magnetische spins georiënteerd naar boven of naar beneden. Traditioneel worden gegevens gelezen van en geschreven naar een harde schijf door een kleine magneet over het materiaal te bewegen. Omdat de vraag naar de productie, het verbruik, de toegang en de opslag van gegevens voortdurend toeneemt, is er behoefte aan snellere en meer energie-efficiënte methoden om gegevens te lezen openen en op te slaan.

De behoefte aan deterministische single pulse AOS
All-optical switching (AOS) van magnetische materialen is een veelbelovende benadering wat betreft snelheid en energie-efficiëntie. AOS gebruikt femtosecondelaserpulsen om de oriëntatie van magnetische spins op de picoseconde-schaal te schakelen. Er kunnen twee mechanismen worden gebruikt om gegevens te schrijven: meerdere pulsen en enkele pulsschakelingen. Bij meervoudige pulsschakelingen is de uiteindelijke oriëntatie van de spins (d.w.z. omhoog of omlaag) deterministisch, wat betekent dat deze vooraf kan worden bepaald door de polarisatie van het licht. Dit mechanisme vereist echter meestal meerdere lasers, wat ongunstig is voor de snelheid en efficiëntie van het schrijven.

Aan de andere kant zou een enkele puls voor het schrijven veel sneller zijn, maar studies naar AOS met een enkele puls laten zien dat dit een wisselproces is. Dit betekent dat om de toestand van een specifiek magnetisch bit te veranderen, voorafgaande kennis van de bit nodig is. Met andere woorden, de toestand van de bit moet eerst worden gelezen voordat het kan worden overschreven, wat een leesfase in het schrijfproces introduceert, en dus de snelheid beperkt.

Een betere aanpak zou een deterministische AOS-aanpak met één puls zijn, waarbij de uiteindelijke richting van een bit alleen afhangt van het proces dat wordt gebruikt om het bit in te stellen en te resetten. Nu hebben onderzoekers van de groep Physics of Nanostructures van de Department of Applied Physics een nieuwe aanpak ontwikkeld voor het deterministisch enkelpulsschrijven in magnetische opslagmaterialen, waardoor het schrijfproces veel nauwkeuriger wordt.

Belang van de referentie- en afstandslagen
Voor hun experimenten ontwierpen de onderzoekers van de TU/e een schrijfsysteem dat bestaat uit drie lagen: een ferromagnetische referentielaag van kobalt en nikkel die helpt of voorkomt dat er in de vrije laag wordt geschakeld, een geleidende koperen (Cu) tussenlaag, en een optisch schakelbare vrije laag van kobalt-gadolinium (Co/Gd). De dikte van de gecombineerde lagen is minder dan 15 nm.

Eenmaal aangeslagen door een femtoseconde-laser, demagnetiseert de referentielaag in minder dan een picoseconde. Een deel van het verloren hoekmoment dat geassocieerd wordt met de spins in de referentielaag, wordt dan omgezet in een spinstroom die door elektronen wordt gedragen. De spins in de stroom zijn uitgelijnd met de spinrichting in de referentielaag.

Deze spinstroom gaat dan van de referentielaag door de koperen tussenlaag (zie de witte pijlen in de afbeelding) naar de vrije laag, waar het kan helpen of voorkomen dat er in de vrije laag wordt geschakeld. Dit is afhankelijk van de relatieve spinrichting van de referentie- en vrije lagen. Het variëren van de laserenergie leidt tot twee regimes.Ten eerste wordt boven een bepaalde drempelwaarde de uiteindelijke spinrichting in de vrije laag volledig bepaald door de referentielaag, en ten tweede wordt boven een hogere drempelwaarde het bekende wisselproces teruggevonden. De onderzoekers hebben aangetoond dat deze twee regimes samen kunnen worden gebruikt voor het nauwkeurig schrijven van de spintoestanden in de vrije laag zonder rekening te houden met de begintoestand ervan tijdens het schrijfproces. Deze bevinding levert een belangrijke bijdrage aan het verbeteren van onze toekomstige dataopslagapparaten.