نوشتن فوق سریع داده‏‌ها بر روی دستگاه‏‌های ذخیره‌سازی با استفاده از لیزر

توسط آذر 12, 1399 اخبار فناوری

زندگی مدرن حول داده ‎ها می ‎چرخد و به این معنی است که برای خواندن و نوشتن داده ‎ها در دستگاه‏‌های ذخیره‌سازی، ما به روش‏ های جدید، سریع و با بهره وری انرژی بالا نیاز داریم. نوشتن فوق سریع داده‏‌ها بر روی دستگاه‏‌های ذخیره‌سازی با استفاده از لیزررویکردهای مبتنی بر نور، که از پالس‏های لیزری برای نوشتن داده به جای خاصیت مغناطیسی استفاده می ‏کنند، طی یک دهه گذشته و به دنبال پیشرفت سوئیچینگ تمام نوری[۱] برای مواد مغناطیسی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با اینکه روش سوئیچینگ تمام نوری سریع و کم مصرف است اما از نظر دقت دارای ایراداتی است. محققان دانشگاه صنعتی ایندهوون[۲] روش جدیدی را برای نوشتن دقیق داده ‏ها بر روی لایه کبالت گادولینیوم (Co/Gd) با یک پالس لیزر و با استفاده از یک ماده فرومغناطیسی به عنوان مرجع، برای کمک به روند نوشتن ابداع کرده‏ اند. تحقیقات این گروه در Nature Communications منتشر شده است.

مواد مغناطیسی در هاردها و سایر دستگاه‏‌های ذخیره‌سازی داده‏‌ها، با اسپین مغناطیسی (بالا یا پایین) جهت‎ گیری می ‏کنند. یعنی داده ‏ها با حرکت دادن یک آهنربای کوچک روی هارد دیسک خوانده یا نوشته می‏ شوند. با افزایش تقاضا برای تولید، مصرف، دسترسی و ذخیره سازی داده‏ ها به طور مداوم، نیاز مبرمی به روشهای سریع ‏تر و کم مصرف‏ تر برای دسترسی، ذخیره سازی و ضبط داده‏ ها وجود دارد.

سوئیچینگ تمام نوری مواد مغناطیسی یک روش امیدوار کننده از نظر سرعت و راندمان انرژی است. در این روش از پالس‏های لیزر فموتوثانیه برای تغییر جهت اسپین مغناطیسی در زمان پیکو ثانیه استفاده می‏ شود. برای نوشتن داده‏ ها می ‏توان از دو مکانیسم استفاده کرد: تعویض تک پالسی و چند پالسی. در تعویض چند پالسی، جهت گیری نهایی اسپین‏ها (یعنی بالا یا پایین بودنشان) قطعی است، بدین معنی که با قطبش نور می ‎توان از قبل جهت آن‏ها را تعیین کرد. با این حال، عموماً این مکانیزم به لیزرهای متعدد نیاز دارد، که سرعت و راندمان نوشتن را کند می ‏کند.

بنابراین مکانیسم تک پالسی برای نوشتن، بسیار سریع ‏تر خواهد بود. اما مطالعات در مورد سوئیچینگ تمام نوری تک پالسی نشان می ‏دهد که تعویض جهت اسپین ها، یک فرآیند دگر وضع است. بدان معنا که برای تغییر وضعیت یک بیت مغناطیسی خاص، اطلاعات قبلی از بیت لازم است. به عبارت دیگر، قبل از اینکه بتوان روی آن داده‏ ای ثبت کرد، باید وضعیت ابتدایی بیت خوانده شود، این کار یک مرحله خواندن را به روند نوشتن اضافه می ‏کند و در نتیجه سرعت را محدود می‏ کند.

بنابراین رویکرد بهتر، قطعی کردن روش تک پالسی است، به طوری که در آن جهت گیری نهایی بیت، تنها به فرآیند مورد استفاده بستگی داشته باشد. محققان گروه نانوساختارها در گروه فیزیک کاربردی دانشگاه فنی آیندهوون هلند روش جدیدی را طراحی کرده ‏اند که با کمک آن می ‏توان به نوشتن تک پالسی قطعی بر روی مواد ذخیره ساز مغناطیسی دست یافت و روند نوشتن را بسیار دقیق‏تر کرد.

اهمیت لایه ‏های مرجع و میانی

محققان دانشگاه فنی آیندهوون سیستمی را متشکل از سه لایه طراحی کرده ‏اند: یک لایه مرجع فرومغناطیسی ساخته شده از کبالت و نیکل که به تغییر اسپین در لایه آزاد کمک می ‏کند و یا از آن جلوگیری می‎ کند. یک لایه فاصله یا شکاف رسانای مسی و یک لایه آزاد کبالت/گادولینیوم با قابلیت تغییرپذیری  نوری. ضخامت کلیه لایه‎ ها کمتر از ۱۵ نانومتر است.

هنگامی که این سیستم توسط یک لیزر فمتوثانیه‎ ای برانگیخته می ‎شود، لایه مرجع در کمتر از یک پیکو ثانیه غیر مغناطیسی می‏ شود. بخشی از تکانه زاویه ‏ای از دست رفته مرتبط با اسپین در لایه مرجع، به جریان اسپینی که توسط الکترون‏ها حمل می ‏شود، تبدیل می ‏شوند و اسپین‎ های موجود در این جریان با جهت اسپین لایه مرجع هم جهت می ‎شوند.

سپس این جریان اسپینی از لایه مرجع، از طریق لایه میانی مسی (به فلش های سفید در تصویر توجه کنید) به لایه آزاد منتقل می‏ شود؛ که این جریان می ‏تواند به تغییر جهت اسپین در لایه آزاد کمک کند یا از تغییر آن جلوگیری کند. این موضوع به جهت‏ گیری نسبی اسپین لایه ‏های مرجع و آزاد بستگی دارد.

متغیر بودن انرژی لیزر منجر به دو حالت می‏ شود. پالس اول با انرژی بالاتر از آستانه یکم که آستانه قطعی برای نوشتن است؛ در این حالت جهت گیری نهایی اسپین در لایه آزاد، کاملاً توسط لایه مرجع مشخص می ‏شود. دوم، پالس دوم با انرژی بیشتر از آستانه بالاتری که در آن سوئیچینگ دگر وضع مشاهده می‏ شود. محققان نشان داده ‏اند که این دو حالت با هم می ‏توانند برای نوشتن دقیق حالت‏ های اسپین در لایه آزاد، بدون در نظر گرفتن حالت اولیه آن در طی فرآیند نوشتن، استفاده شوند. این یافته‏ ها پیشرفت مهمی را در تقویت دستگاه ‏های ذخیره ساز اطلاعات در آینده نشان می‏ دهد.

منبع : مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران

مطالب مرتبط :