Ученые изменяют форму света, чтобы управлять магнитной памятью и магнитными свойствами материалов

Магнитный бит обычно меняет состояние, потому что его направление перемещается из одного направления в другое под действием магнитного поля. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего показали, что тщательно управляемый свет может выполнять свою работу даже в более толстых магнитных пленках, чем те, которые использовались в предыдущих экспериментах по оптическому переключению.

Исследователи сформировали сверхбыстрый лазерный импульс в плотно сфокусированный векторный луч и использовали его для изменения намагниченности мультислоя платины и кобальта без внешнего магнитного поля. Уменьшив освещенную область и контролируя распределение света по этой области, исследователи смогли переключаться между двумя механизмами оптической инверсии.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предполагает, что сама конструкция светового луча может быть ручкой управления магнитной памятью. В конечном итоге это может обеспечить более быстрое и плотное хранение данных, но текущая установка остается лабораторным экспериментом.

Магнитное хранилище представляет информацию через небольшие области, где намагниченность направлена ​​в одном из двух стабильных направлений. Изменение его направления записывает новое состояние, соответствующее цифровому 0 или 1.

Ультракороткие лазерные импульсы открывают еще одну возможность. Свет может накапливать энергию в течение фемтосекунд и концентрировать ее в микроскопической области. Поэтому исследователи потратили годы на исследование полностью оптического переключения, при котором для управления намагниченностью используется свет, а не приложенные магнитные поля.

Большая часть этой работы опирается на тщательно отобранные материалы, точные композиции или свет с круговой поляризацией, при этом конечное магнитное состояние определяется направлением руки. Эти требования усложняют попытки превратить эффекты в масштабируемую технологию.

Вместо разработки нового магнитного материала команда Калифорнийского университета в Сан-Диего модифицировала световой луч. Исследователи работали с тонкими пленками, содержащими чередующиеся слои платины и кобальта, тестируя структуры с количеством от одного до десяти повторяющихся бислоев Pt/Co.

Их ключевым инструментом был векторный луч с круговой поляризацией. В отличие от традиционных гауссовских лазерных лучей, этот структурированный луч перераспределяет поляризацию по фокальной области и, при четкой фокусировке, может концентрировать энергию на меньшей площади.

Исследовательская группа использовала объектив микроскопа с высокой числовой апертурой, чтобы уменьшить эффективное лазерное пятно примерно с 1,92 микрометра до 0,96 микрометра в одной серии экспериментов. Расчеты показали, что векторный луч может создать фокальное пятно, которое примерно на 15% уже, чем эквивалентный гауссов пучок при тех же условиях фокусировки.

«Мы оптически манипулировали светом, чтобы изменить физические явления, происходящие внутри материалов на микро- и наноуровне», — сказал ведущий автор Мохаммад Валид Халид.

При больших размерах пятна платиново-кобальтовые пленки вели себя более привычно. Конечное магнитное состояние определялось тем, была ли круговая поляризация падающего света по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Этот процесс, называемый полностью оптическим переключением, зависящим от спиральности, происходит посредством повторяющихся импульсов. Первый импульс нагревает материал для зарождения перевернутых доменов, а последующие импульсы способствуют росту одной магнитной ориентации.

Когда исследователи усилили балку, эта зависимость начала исчезать. Для трехповторной стопки Pt/Co намагниченность переставала зависеть от спиральности, когда эффективное пятно достигало ~1,36 микрометра или меньше.

Правый круговой векторный луч и левый круговой векторный луч создавали по существу одно и то же конечное магнитное состояние. Геометрия света, а не направление света, была доминирующим фактором.

Исследователи связывают это изменение с интенсивным локальным нагревом в сочетании с дипольным магнитным полем от окружающей ненагретой мембраны. Чем меньше облучаемая область, тем легче стабилизировать соседние магнитные области после того, как лазерный импульс приблизит эту область к температуре Кюри.

Предыдущие исследования с использованием отдельно стоящих многослойных материалов Pt/Co столкнулись со значительными проблемами толщины. По мере добавления большего количества магнитных слоев равновесные домены становились меньше, а лазерный нагрев имел тенденцию оставлять сложную многодоменную структуру, а не одну надежно инвертированную область.

Удержание луча изменило этот баланс. Четыре повтора Pt/Co продемонстрировали независимое от спиральности переключение во всех протестированных размерах пятен. Для образцов, содержащих от 5 до 9 повторений, окончательная инверсия сохранялась при фокусировке света вокруг шкалы длин волн.

Этот результат важен. Это связано с тем, что больший магнитный объем повышает термическую стабильность и может предотвратить естественное изменение хранимой информации с течением времени. Однако за пределами девяти повторов полосатые домены препятствовали равномерной инверсии.

Завершенная ячейка памяти в этом эксперименте не была продемонстрирована. Исследователи сканировали образец тонкой пленки фемтосекундным лазером и наблюдали магнитные домены с помощью микроскопа Фарадея. Их система использовала 120 фемтосекундных импульсов длиной 800 нанометров и частотой повторения 1 килогерц.

Этот механизм отличается от однократного оптического переключения, продемонстрированного в некоторых ферримагнитных материалах. В этих пленках Pt/Co окончательная инверсия происходила кумулятивно за несколько импульсов.

Первый импульс нагрел ограниченную область и инициировал переворот домена. Продолжительное освещение позволило домену вырасти и обрести стабильную конфигурацию.

Эта разница важна при рассмотрении скорости. Хотя фемтосекундный свет может очень быстро вызвать динамику намагничивания, эксперимент не продемонстрировал, что запоминающее устройство записывает независимые биты в тысячи раз быстрее, чем коммерчески доступные жесткие диски.

Его главное достижение — контроль. Регулируя размер луча, его фокусировку и распределение поляризации, исследователи изменили доминирующие пути магнитного переключателя, не меняя конструкцию материала.

«Вместо того, чтобы разрабатывать новые материалы для оптического переключения, мы перепроектировали сам свет и продемонстрировали новые свойства, которые раньше считались невозможными», — сказал ведущий автор Абдуллахи Ндао.

Прежде чем оптически записываемую магнитную память можно будет перенести на чипы, остается несколько препятствий. В этой лабораторной системе используются специализированные сверхбыстрые лазеры и оптические компоненты, которые невозможно просто добавить к традиционной запоминающей электронике.

Исследователям понадобятся меньшие интегрированные источники света, наноразмерные оптические структуры и материалы, которые надежно переключаются при более низких энергиях. Исследовательская группа также изучает способы ограничения света размером всего в несколько сотен нанометров.

Тем не менее, эта работа меняет некоторые вопросы проектирования. Определение того, как намагниченность меняется на обратную по форме луча, может помочь в создании будущих устройств памяти за счет оптимизации магнитного стека и света, который его записывает.

Этот подход может в конечном итоге сделать магнитное хранилище более быстрым и компактным, не требуя совершенно новых магнитных материалов.

Эти ресурсы предоставляют актуальный и непосредственно актуальный контекст на пути к сверхбыстрому магнитному управлению, оптической памяти и интегрированным устройствам.

Сверхбыстрая спинтроника со светом: обзор: недавний всеобъемлющий обзор, охватывающий полностью оптическое переключение в ферримагнетиках, ферромагнетиках, многослойных материалах, сплавах Гейслера и двумерных материалах. Основное внимание уделяется памяти и приложениям устройства. (Отчет по физике, 2025 г.)