La vita moderna ruota intorno ai dati, il che significa che abbiamo bisogno di nuovo, veloce, e metodi efficienti dal punto di vista energetico per leggere e scrivere dati sui nostri dispositivi di archiviazione. Approcci basati sull'ottica, che utilizzano impulsi laser per scrivere dati invece di magneti, hanno ricevuto notevole attenzione nell'ultimo decennio a seguito dello sviluppo della commutazione all-optical (AOS) per i materiali magnetici. Mentre veloce ed efficiente dal punto di vista energetico, AOS ha problemi con la precisione. I ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno ideato un nuovo metodo per scrivere con precisione i dati su uno strato di cobalto-gadolinio (Co/Gd) con un impulso laser utilizzando un materiale ferromagnetico come riferimento per aiutare con il processo di scrittura. La loro ricerca è pubblicata in Comunicazioni sulla natura .
I materiali magnetici nei dischi rigidi e in altri dispositivi memorizzano i dati come bit di computer, cioè 0 e 1, in spin magnetici orientati verso l'alto o verso il basso. Tradizionalmente, i dati vengono letti e scritti su un disco rigido spostando un piccolo magnete sul materiale. Però, con la domanda di produzione di dati, consumo, accesso, e stoccaggio in continuo aumento, vi è una notevole richiesta di metodi più rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico per accedere, negozio, e registrare i dati.
La necessità di un AOS deterministico a impulso singolo
La commutazione completamente ottica (AOS) dei materiali magnetici è un approccio promettente in termini di velocità ed efficienza energetica. AOS utilizza impulsi laser a femtosecondi per cambiare l'orientamento degli spin magnetici alla scala dei picosecondi. È possibile utilizzare due meccanismi per scrivere i dati:commutazione a impulsi multipli ea impulsi singoli. Nella commutazione a più impulsi, l'orientamento finale degli spin (cioè, su o giù) è deterministico, il che significa che può essere determinato in anticipo dalla polarizzazione della luce. Però, questo meccanismo richiede tipicamente più laser, che rallenta la velocità e l'efficienza della scrittura.
D'altra parte, un singolo impulso per la scrittura sarebbe molto più veloce, ma gli studi sull'AOS a impulso singolo mostrano che la commutazione è un processo di commutazione. Ciò significa che per modificare lo stato di uno specifico bit magnetico, è necessaria una conoscenza preliminare del bit. In altre parole, lo stato del bit deve essere letto prima di poter essere sovrascritto, che introduce una fase di lettura al processo di scrittura, e quindi limita la velocità.
Un approccio migliore sarebbe un approccio AOS deterministico a impulso singolo, dove la direzione finale di un bit dipende solo dal processo utilizzato per impostare e resettare il bit. Ora, ricercatori del gruppo di Fisica delle Nanostrutture del Dipartimento di Fisica Applicata del TU/e hanno dimostrato un nuovo approccio che può ottenere una scrittura deterministica a singolo impulso nei materiali di memorizzazione magnetica, rendendo il processo di scrittura molto più accurato.
Importanza degli strati di riferimento e distanziatore
Per i loro esperimenti, i ricercatori del TU/e hanno progettato un sistema di scrittura composto da tre strati:uno strato di riferimento ferromagnetico fatto di cobalto e nichel che aiuta o impedisce la commutazione di spin nello strato libero, un distanziatore conduttivo in rame (Cu) o uno strato intermedio, e uno strato privo di Co/Gd commutabile otticamente. Lo spessore degli strati combinati è inferiore a 15 nm.
Una volta eccitato da un laser a femtosecondi, lo strato di riferimento si smagnetizza in meno di un picosecondo. Parte del momento angolare perduto associato agli spin nello strato di riferimento viene quindi convertito in una corrente di spin trasportata dagli elettroni. Gli spin nella corrente sono allineati con l'orientamento degli spin nel livello di riferimento.
Questa corrente di spin si sposta quindi dallo strato di riferimento attraverso lo strato spaziatore di Cu (vedi frecce bianche nell'immagine) allo strato libero dove può aiutare o impedire la commutazione di spin nello strato libero. Ciò dipende dall'orientamento di rotazione relativo dei livelli di riferimento e liberi.
La variazione dell'energia laser porta a due regimi. Primo, sopra una soglia, gli orientamenti finali di rotazione nel livello libero sono interamente determinati dal livello di riferimento, e secondo, al di sopra di una soglia superiore, si osserva la commutazione a levetta. I ricercatori hanno dimostrato che insieme questi due regimi possono essere utilizzati per una scrittura accurata degli stati di spin nello strato libero senza tenere conto del suo stato iniziale durante il processo di scrittura. Questa scoperta rappresenta un importante progresso per aumentare i nostri futuri dispositivi di archiviazione dei dati.
