何十年もの間、磁気データのストレージは、磁場を使用して材料の小さな領域を 1 と 0 を表す状態の間で反転させるという一般的な考え方に依存してきました。ただし、磁場は電力を消費し、これらのビットを切り替える速度が制限されます。
今回、カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）の技術者らは、特別に設計された光を使って磁気情報を書き換えるという別の方法を実証した。
彼らの実験は、光スイッチングがこれまでに実証されたものよりもはるかに厚い磁性材料内で動作し、ヘリシティに依存せずに磁化反転が機能することを示しています。このアプローチは、最終的には磁気メモリの高速化、高密度化、エネルギー効率の向上に役立つ可能性があります。
課題は、照明スイッチの磁性を作るのが簡単ではなかったことです。これまでの実験では、3 層以下の磁気スタックでのみ光スイッチングが行われることが示されています。
材料を厚くすると効果が抑制され、メモリの物理的設計と情報を保持する能力の両方が制限される可能性がありました。研究者らはまた、特定の偏光を使用する必要がありました。
カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームは、これらの制限を克服できる別の素材を探す代わりに、照明そのものを変えました。 「私たちは光を光学的に操作して、材料内で起こる物理現象をマイクロおよびナノスケールで変化させました」と、UCSD の主任研究員で博士課程の学生である Muhammad Waleed Khalid 氏は述べています。
光を集めて形を変える
研究者らは超高速レーザーを使用し、そのエネルギーが極めて狭い領域に集中するようにビームを設計した。焦点が 1.36 マイクロメートル未満に縮小されると、スイッチングはヘリシティに依存しなくなります。
ビームを成形することで、材料に作用する局所的な加熱と光トルクの両方を変更し、その磁化が光にどのように反応するかを変えることができます。
彼らは、プラチナとコバルトの9つの交互層からなる磁性材料でこのアプローチをテストしました。これは、以前の実験で観察された 3 層の限界よりも大幅に厚かったです。
研究者らは、この材料がヘリシティに関係なく磁化反転を起こし、これまでのアプローチの大きな制約を克服できることを発見した。
磁気スイッチの仕組み
スイッチング自体は、一連の超高速レーザーパルスによって行われます。最初のパルスは、小さな領域を加熱して反転磁場を生成するのに十分なエネルギーを小さなスポットに集中させます。その後、パルスを追加すると、スイッチ領域が定常状態に達するまで拡張します。
「特殊なレーザーを使用することで、特定の形状とサイズを持つようにビームを光学的に設計することができました。これにより、従来のビームレーザーでは不可能な、より基礎的な物理学を探求する余地が得られました。」と Khalid 氏は付け加えました。
研究者らは、光スイッチングは最終的には外部磁場を使用する方法よりも 1,000 倍以上高速になる可能性があると推定しています。また、スイッチ領域は、よく集束された光がそのエネルギーを蓄積する場所によって決まるため、ビームを縮小することで磁気情報をより高密度に詰め込むことができる可能性があります。
「ビームサイズが小さいほど、光メモリはより小さく、より高密度になります」と、UCSDジェイコブス工学部の主任研究者兼教授であるアブドゥライ・ンダオ氏は述べた。
この異常な結果をすぐに特定するのは簡単ではありませんでした。その効果が研究者らが以前に観察したものとは大きく異なるように思われたため、チームは実験を繰り返しテストした。
「私たちが見た効果は非常に斬新で珍しいものであったため、私たちの発見が一度限りのまぐれではないことをこの分野の他の人々に納得させるのは困難でした。私たちは光学コミュニティでの私たちの研究を実証するために、実験を繰り返し検証することに多くの時間と労力を費やしました」とハリド氏は語った。
磁気を制御する新しい方法
研究者らは、磁性材料を再設計して光スイッチングを可能にするのではなく、光を注意深く成形することで材料の反応方法を変えることができることを実証した。
「光スイッチングを可能にする新しい材料を設計する代わりに、光自体を再設計し、これまで不可能だと考えられていた新しい特性を示しました」と Ndao 氏は述べています。
ただし、提案された技術が商用ストレージデバイスに使用されるにはまだ遠いです。今日必要とされる特殊な超高速レーザーは、コンピューターチップに統合するのが困難です。
したがって、研究者は、電子システムとより互換性のあるレーザーのような効果を生み出すことができる磁性材料を探索しています。
彼らはまた、光をさらに小さな空間に閉じ込めることができる光学構造を使用して、ビームをさらに縮小し、場合によっては数百ナノメートルまで縮小したいと考えています。成功すれば、従来の磁気スイッチングでアクセスできるスケールよりもはるかに小さいスケールで磁気を研究し、最終的に制御する方法が提供される可能性があります。
研究は雑誌に掲載されます 自然のコミュニケーション。
