Вчені розкрили спосіб зчитування магнітної орієнтації на рекордній швидкості за допомогою терагерцевого випромінювання. Сучасні жорсткі диски можуть зберігати кілька мільйонів мегабайт – цього достатньо для сотень тисяч фотографій. Такі високощільні пристрої використовують крихітні магнітні структури для збереження даних. Однак швидкість передачі інформації обмежена кількома сотнями мегабайтів на секунду, що робить доступ до даних відносно повільним.
Нещодавні експерименти досліджували перспективний новий підхід: зчитування магнітних станів за допомогою коротких імпульсів струму. Досягнення у спінтроніці – галузі, що використовує спін електрона для маніпуляції магнітними властивостями – показують, що спеціально розроблені матеріали можуть подолати попередні обмеження швидкості.
Тепер дослідники з Центру Гельмгольца в Дрезден-Россендорфі (HZDR) та Технічного університету Дортмунда здійснили прорив. Замість електричних імпульсів вони використовували ультракороткі терагерцеві світлові імпульси, щоб зчитувати магнітні структури за пікосекунди – трильйонні частки секунди. Їхні результати, опубліковані в Nature Communications, підтверджують реальність цього підходу, відкриваючи шлях до надшвидкого зберігання та отримання даних.
Розкриття магнітних таємниць за допомогою світла
“Ми тепер можемо визначати магнітну орієнтацію матеріалу набагато швидше за допомогою світлоіндукованих імпульсів струму”, – пояснює доктор Ян-Крістоф Дайнерт з Інституту радіаційної фізики HZDR. Його команда використовувала терагерцеве випромінювання – невидиме для людського ока світло. З довжиною хвилі трохи менше міліметра, терагерцеве світло знаходиться між інфрачервоним і мікрохвильовим випромінюванням у спектрі електромагнітних хвиль. Для генерації цих ультракоротких інтенсивних імпульсів дослідники використовували випромінювальну установку ELBE в HZDR. Ці імпульси виявилися ідеальними для аналізу магнітних властивостей ультратонких матеріалів.
Зразки складалися з двох шарів, кожен лише кілька нанометрів завтовшки. Нижній шар містив магнітний матеріал, такий як кобальт або сплав заліза з нікелем, а верхній шар складався з металів, зокрема платини, танталу або вольфраму. Жоден із металевих шарів не перевищував трьох нанометрів у товщині. “Такий тонкий матеріал пропускає лише частину терагерцевого випромінювання”, – пояснює Дайнерт. Така часткова прозорість є ключовою умовою для можливості зчитування магнітного стану нижнього шару.
Простий матеріал, складний механізм
“У наших експериментах терагерцеві спалахи створюють різноманітні взаємодії між світлом і матерією”, – розповідає доктор Руслан Саліхов з Інституту фізики іонних пучків та матеріалознавства HZDR, який відповідав за вирощування зразків. У поєднанні з іншими короткоімпульсними лазерами команда змогла візуалізувати та розшифрувати дуже швидкі релятивістські квантові ефекти у надтонких шарах.
По-перше, електричне поле терагерцевих імпульсів генерує надкороткочасні електричні струми у верхньому металічному шарі. Дивовижно, але електрони вишиковуються відповідно до орієнтації їхнього власного кутового моменту – спіну, створюючи спіновий струм, що тече перпендикулярно шарам. На межі між шарами електрони з певною орієнтацією спіну накопичуються в швидкій послідовності. Залежно від вирівнювання цих спінів і напрямку магнітного моменту нижнього шару, електричний опір на межі змінюється. Цей ефект отримав назву унідипольний спіновий магнітоопір Холла (USMR).
Ефект USMR був відкритий кілька років тому вченими з ETH Zurich, але команда HZDR і TU Dortmund зробила значний прорив. Завдяки цьому ефекту дослідники можуть зчитувати напрямок намагніченості надзвичайно швидко, використовуючи короткі терагерцеві імпульси, які змушують спіновий струм змінювати напрямок трильйон разів на секунду. Крім того, завдяки USMR-ефекту електричний опір межі змінюється надзвичайно швидко, що впливає навіть на саме терагерцеве випромінювання.
Використання надшвидкої намагніченості
“Залежно від напрямку намагніченості ми генеруємо швидкі коливання прозорості зразка”, – пояснює доктор Сергій Ковалев із TU Dortmund. Це змінює терагерцеві імпульси особливим чином. Після проходження крізь зразок вони починають коливатися з подвоєною частотою початкового терагерцевого випромінювання – цей ефект відомий як “друга гармоніка”. “Ми можемо точно виявити ці коливання та визначити намагніченість нижнього шару всього за кілька пікосекунд”, – підсумовує Ковалев.
Шлях до ультрашвидкої магнітної пам’яті
Вчені вже працюють не тільки над зчитуванням, але й над записом магнітних даних за допомогою терагерцевого випромінювання. Однак вони визнають, що впровадження цього відкриття у вигляді надшвидких жорстких дисків може зайняти значний час. Це вимагає створення набагато компактніших джерел коротких терагерцевих імпульсів, а також ефективних сенсорів для їх аналізу. Попри це, ультрашвидкий USMR-ефект демонструє складні механізми в досить простих матеріалах, які можуть відіграти ключову роль у майбутньому розвитку надшвидких магнітних систем зберігання даних.