Gravação ultrarrápida de dados baseada em laser para dispositivos de armazenamento
A vida moderna gira em torno de dados, o que significa que precisamos de métodos novos, rápidos e eficientes em termos de energia para ler e gravar dados em nossos dispositivos de armazenamento. Abordagens baseadas em óptica, que usam pulsos de laser para gravar dados em vez de ímãs, receberam atenção considerável na última década após o desenvolvimento de comutação totalmente óptica (AOS) para materiais magnéticos. Embora rápido e eficiente em termos de energia, o AOS tem problemas com precisão. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven desenvolveram um novo método para gravar dados com precisão em uma camada de cobalto-gadolínio (Co/Gd) com um pulso de laser usando um material ferromagnético como referência para ajudar no processo de escrita. Sua pesquisa é publicada na Nature Communications .
Materiais magnéticos em discos rígidos e outros dispositivos armazenam dados como bits de computador, ou seja, 0s e 1s, em spins magnéticos orientados para cima ou para baixo. Tradicionalmente, os dados são lidos e gravados em um disco rígido movendo um pequeno ímã sobre o material. No entanto, com a demanda por produção, consumo, acesso e armazenamento de dados aumentando continuamente, há uma demanda considerável por métodos mais rápidos e eficientes em termos de energia para acessar, armazenar e registrar dados.
A necessidade de AOS de pulso único determinístico
A comutação totalmente óptica (AOS) de materiais magnéticos é uma abordagem promissora em termos de velocidade e eficiência energética. AOS usa pulsos de laser de femtossegundos para mudar a orientação dos spins magnéticos na escala de picossegundos. Dois mecanismos podem ser usados para gravar dados: comutação de pulso múltiplo e pulso único. Na comutação de múltiplos pulsos, a orientação final dos spins (ou seja, para cima ou para baixo) é determinística, o que significa que pode ser determinada antecipadamente pela polarização da luz. No entanto, esse mecanismo normalmente requer vários lasers, o que diminui a velocidade e a eficiência da gravação.
Por outro lado, um único pulso para escrita seria muito mais rápido, mas estudos sobre AOS de pulso único mostram que a comutação é um processo de alternância. Isso significa que para alterar o estado de um bit magnético específico, é necessário um conhecimento prévio do bit. Em outras palavras, o estado do bit deve ser lido primeiro antes que possa ser sobrescrito, o que introduz um estágio de leitura no processo de escrita e, portanto, limita a velocidade.
Uma abordagem melhor seria uma abordagem AOS de pulso único determinístico, onde a direção final de um bit depende apenas do processo usado para definir e redefinir o bit. Agora, pesquisadores do grupo de Física de Nanoestruturas do Departamento de Física Aplicada da TU/e demonstraram uma nova abordagem que pode alcançar a escrita determinística de pulso único em materiais de armazenamento magnético, tornando o processo de escrita muito mais preciso.
Importância das camadas de referência e espaçadora
Para seus experimentos, os pesquisadores da TU/e projetaram um sistema de escrita que consiste em três camadas - uma camada de referência ferromagnética feita de cobalto e níquel que auxilia ou impede a comutação de spin na camada livre, um espaçador condutor de cobre (Cu) ou camada de lacuna e uma camada livre de Co/Gd opticamente comutável. A espessura das camadas combinadas é inferior a 15 nm.
Uma vez excitada por um laser de femtossegundo, a camada de referência desmagnetiza em menos de um picosegundo. Parte do momento angular perdido associado aos spins na camada de referência é então convertido em uma corrente de spin transportada pelos elétrons. Os spins na corrente são alinhados com a orientação de spin na camada de referência.
Essa corrente de spin então se move da camada de referência através da camada espaçadora de Cu (veja as setas brancas na imagem) para a camada livre, onde pode ajudar ou impedir a troca de spin na camada livre. Isso depende da orientação de rotação relativa das camadas de referência e livres.
Variando a energia do laser leva a dois regimes. Primeiro, acima de um limite, as orientações finais de rotação na camada livre são inteiramente determinadas pela camada de referência e, segundo, acima de um limite mais alto, a comutação de alternância é observada. Os pesquisadores mostraram que juntos esses dois regimes podem ser usados para escrever com precisão os estados de spin na camada livre sem levar em conta seu estado inicial durante o processo de escrita. Essa descoberta representa um avanço importante para aumentar nossos futuros dispositivos de armazenamento de dados .
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