科学家们开发了一种利用光来控制磁性的全新方法，这一突破最终可能使数字数据存储变得更快、更紧凑和更节能。由加州大学圣地亚哥分校的工程师进行的这项研究已在《自然通讯》期刊上发表。现代硬盘和其他存储系统依赖于微小的磁性区域，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方向。然而，这一过程消耗了大量能源，并限制了信息记录的速度。加州大学圣地亚哥分校的团队展示了一种替代方案，使用光来改变这些磁态，这一技术称为光学开关。光可以以极短的脉冲传递能量，并能够集中到极小的区域，这可能使磁性信息的写入速度更快且能耗更低。研究人员表示，光学开关的速度可能超过依赖外部磁场的传统方法 1,000 多倍。减小激光光束以改善数据存储为了实现这一目标，工程师们使用了一种专门的超快激光，并仔细修改其光束的形状和大小。最终得到的光束比早期实验中使用的光束小得多，研究人员形容其减少了数十个数量级。这种对光的精确控制也可能使在有限空间内存储更多信息成为可能。通过将激光能量引导到更小的磁性区域，未来的内存设备可能在不增加物理尺寸的情况下保存更多数据。“光束越小，光学内存就越小越密集，” 研究高级作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院电气和计算机工程系教授阿卜杜拉耶·恩道（Abdoulaye Ndao）说道。到目前为止，光学开关面临两个重要限制。早期实验仅在包含不超过三层磁性的极薄结构中取得成功。该过程还需要特定偏振的光，这意味着其电磁波必须以特定方式定向。“过去的实验发现，材料的厚度超过三层会抑制光学开关，”恩道说。“这对磁性材料的总体厚度以及其长期保持记忆的能力构成了限制。”这些限制使得光学内存的潜在有用性受到限制，特别是因为厚磁性结构可以帮助在较长时间内保存存储的信息。科学家克服了主要的磁性记忆障碍通过仔细重塑和减小激光光束的大小，恩道和他的同事找到了解决这两个障碍的方法。他们成功地在一个包含九层交替的铂和钴的显著厚磁性结构中展示了光学开关。研究人员还展示了该过程在不需要特定光偏振的情况下也能工作。“我们通过光学工程使光改变材料在微观和纳米尺度上发生的物理现象，” 研究第一作者、恩道研究小组的电气和计算机工程博士生穆罕默德·瓦利德·哈立德（Muhammad Waleed Khalid）表示。这一技术通过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来工作。前几个脉冲会briefly加热磁性材料的局部区域，导致该小区域逆转其磁性方向。之后的脉冲逐渐扩大该反向区域，直到新的磁态变得稳定。这一精心控制的序列使研究人员能够以传统激光束无法实现的方式操纵磁性。“使用专用激光使我们能够光学工程调节光束的特定形状和大小，” 哈立德说。“这为我们探索更基本的物理现象提供了空间，而这些是常规激光束无法做到的。”一个意外的发现需要反复测试这些不寻常的结果最初在科学界被确认难度较大。由于这些效果与早期实验所建议的可能性存在巨大差异，研究人员需要进行广泛的额外测试以确认他们的观察结果。“我们所看到的效果是如此新颖和不寻常，以至于我们很难说服领域内的其他人相信我们的发现不是一次性的偶然。我们花了很多时间和精力重复和验证我们的实验，以向光学界证明我们的工作，” 哈立德补充道。