随着人工智能与大数据时代的全面到来，突破传统磁性存储的速度与能耗极限、寻找更高效的信息写入方式，已成为下一代数据存储技术演进的核心命题。近日，加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的科学家们开发出一种出人意料的数字信息存储新方法：用光来切换材料的磁性状态，替代传统依赖外部磁场的写入方式。这一突破有望为打造体积更小、速度更快、能效更高的存储设备铺平道路。具体而言，研究人员通过对超快激光束进行精确塑形与微缩，实现了对材料磁态的切换，而这正是写入数字数据的基本过程。这项技术的运行速度有望比传统的磁切换方法快1000倍以上，最终让数字数据存储变得更快速、更紧凑且更节能。相关研究成果发表在Nature Communications 期刊上。
借助超快激光器发出的特殊工程化光束，加州大学圣地亚哥分校的工程师们展示了一种无需外部磁场即可切换材料中磁信息的新方法。
图源：David Baillot / 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院
告别高能耗磁场，“光学切换”让数据写入提速千倍
现代硬盘驱动器和其他存储系统依赖微小的磁性区域，将数字信息编码为“1”和“0”。写入新数据通常需要施加外部磁场来改变这些区域的磁化方向。然而，这一过程不仅消耗大量能源，还限制了信息记录的速度。
针对这一痛点，加州大学圣地亚哥分校的研究团队展示了一种利用光来改变这些磁态的替代方案，该技术被称为“光学切换”（optical switching）。光可以在极短的脉冲中传递能量，并能聚焦到极小的区域上，从而有望以更快的速度和更低的能耗写入磁信息。据研究人员介绍，与依赖外部磁场的传统方法相比，光学切换的速度可以提升1000倍以上。
极致微缩激光束，大幅提升存储密度与空间利用率
为了实现这一目标，工程师们使用了一种特殊的超快激光器，并对其光束的形状和尺寸进行了精细调控。最终得到的光束比早期实验中所使用的光束小得多，研究人员形容其尺寸缩小了数十个数量级。
这种对光的精确控制，还使得在有限空间内存储更多信息成为可能。通过将激光能量定向投射到更小的磁性区域，未来的存储设备有望在不增加物理尺寸的情况下容纳更多数据。
该研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程系教授Abdoulaye Ndao表示：“光束的尺寸越小，光存储器的体积就越小，密度就越高。”
在此之前，光学切换面临着两个重要的限制。早期的实验仅在包含不超过三层磁性层的极薄磁性结构中取得过成功。此外，这一过程还需要特定偏振态的光，即其电磁波必须按照特定的方向排列。
Ndao指出：“过去的实验发现，将材料厚度增加到三层以上会抑制光学切换。这限制了磁性材料的整体厚度，进而限制了其长期保存数据的能力。”这些限制制约了光存储器的潜在实用价值，因为较厚的磁性结构才更有助于长期保存所存储的信息。
攻克磁存储核心壁垒，九层复合结构实现稳定翻转
通过精心重塑并缩小激光束的尺寸，Ndao及其同事找到了绕过上述两大障碍的方法。他们在一个厚度大幅增加的磁性结构中成功演示了光学切换，该结构包含九层交替堆叠的铂和钴。研究人员还证明，这一过程无需特定偏振态的光即可顺利进行。
该研究的第一作者、Ndao课题组的电气与计算机工程博士生Muhammad Waleed Khalid说：“我们通过光学工程手段改造了光，从而改变了材料在微米和纳米尺度上发生的物理过程。”该技术的工作原理是将激光能量集中到一个极小的区域，并传递一系列超快脉冲。最先到达的脉冲会短暂加热磁性材料的局部区域，使一个小区域的磁化方向发生反转；随后的脉冲则会逐渐扩大该反转区域，直到新的磁态变得稳定。这种经过精密控制的脉冲序列，使研究人员能够以传统激光束无法企及的方式操控磁性。
Khalid表示：“使用特殊的激光器使我们能够对光束进行光学工程设计，赋予其特定的形状和尺寸。这为我们探索更基础的物理现象提供了空间，而使用传统光束激光器是无法做到这一点的。”
跨界强强联手，在反复验证中重塑光与物质的交互
这些非同寻常的结果起初很难在科学界得到认可。由于实验效果与早期实验所预示的可能性大相径庭，研究人员需要开展大量额外的测试来证实他们的观察结果。
Khalid补充道：“我们所看到的效应是如此新奇且不同寻常，以至于我们很难让该领域的同行相信我们的发现并非一次性的侥幸。我们花费了大量的时间和精力去重复和验证实验，以便向光学界证实我们的工作。”
这一突破源于两个平时鲜有交集的研究领域的跨界合作：研究光的“光学”领域与“磁性材料”领域。Ndao的光学研究团队与加州大学圣地亚哥分校的薄膜磁性材料专家Eric Fullerton展开了合作。Eric Fullerton是电气与计算机工程系以及化学与纳米工程系的教授，同时也是该校存储与记录研究中心的讲席教授（Endowed Chair Professor）。将这两个领域的专业知识结合起来，使团队能够从不同的视角去研究磁存储领域中一个由来已久的问题。研究人员没有去开发具有新特性的磁性材料，而是专注于改变光与现有材料的相互作用方式。
Ndao说：“我们没有为了实现光学切换而去设计一种新材料，而是重新设计了光本身，并展现出了此前被认为不可能实现的新特性。”
迈向实用化：超快计算机存储的下一阶段挑战
尽管这项成果为未来的存储技术指明了充满希望的前景，但在将光学切换应用于日常电子设备之前，仍存在重大的技术障碍。
主要挑战在于实验所需的特殊超快激光器。目前的激光器版本还难以集成到计算机芯片中，这使得实际的系统集成变得十分困难。研究人员正在考虑通过其他途径来实现类似的效果，包括寻找能够对更适合集成到电子硬件中的激光系统产生响应的磁性材料。同时，他们还试图进一步缩小激光束的尺寸，目标是将其缩减至几百纳米。为了实现这一目标，团队正在探索能够将光集中到越来越小区域的光学结构。
这些努力旨在深入理解经过精密工程设计的光如何在极小尺度上操控磁性。如果剩下的工程挑战能够被攻克，这种方法将助力开启新一代紧凑型、高密度存储设备的序幕，从而以更快的速度写入数字信息。
