Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется.

В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, такой подход потенциально способен работать более чем в 1000 раз быстрее методов, основанных на внешнем магнитном поле.

Для проведения экспериментов команда использовала ультрабыстрый лазер и специально разработанную оптическую систему, позволяющую сжимать, формировать и фокусировать световой луч до необычно малых размеров. Руководитель исследования профессор Абдулайе Ндао (Abdoulaye Ndao) с факультета электротехники и вычислительной техники UC San Diego отмечает, что уменьшение диаметра луча непосредственно связано с возможностью создания более мелких и плотных ячеек оптической памяти. Чем меньше область воздействия, тем больше информации потенциально можно разместить на той же площади.

Особенно важным результатом стало преодоление ограничений, существовавших в предыдущих экспериментах. Ранее считалось, что оптическое переключение возможно лишь в очень тонких магнитных структурах, содержащих не более трех магнитных слоев, причем для запуска эффекта требовался определенный тип поляризованного света. При увеличении толщины материала более чем до трех слоев эффект, как показывали прежние исследования, подавлялся, что создавало проблемы с надежностью длительного хранения информации.

Команда Ндао обнаружила, что эти ограничения не являются непреодолимыми. Ученые смогли продемонстрировать оптическое переключение в гораздо более толстой структуре, состоящей из девяти чередующихся слоев платины и кобальта. Более того, эксперимент показал, что для изменения магнитного состояния больше не обязательно использовать определенную поляризацию света. Первый автор работы, аспирант Мухаммад Валид Халид (Muhammad Waleed Khalid), описывает этот подход как своеобразное "оптическое инженерирование" лазерного луча, при котором параметры самого света позволяют изменять физические процессы в материале на микро- и наноуровнях.

Механизм эксперимента основан на чрезвычайно точной концентрации энергии. Лазерный импульс фокусируется на очень небольшой области, после чего материал последовательно облучается серией ультрабыстрых импульсов. Первые импульсы нагревают крошечный участок настолько сильно, что в нем формируется зона с противоположной магнитной ориентацией. Затем следующие импульсы постепенно увеличивают эту область, пока новое магнитное состояние не становится стабильным. По словам Халида, специализированный лазер позволил исследователям задавать не только интенсивность, но и форму и размеры светового пучка, благодаря чему удалось наблюдать фундаментальные физические эффекты, недоступные при использовании обычного лазерного излучения.

Необычность полученных результатов стала для исследователей одновременно преимуществом и серьезной проверкой. Наблюдаемый эффект оказался настолько неожиданным, что эксперименты пришлось многократно повторять и тщательно проверять, чтобы исключить случайную аномалию. В работе объединились две научные области, которые обычно не так тесно взаимодействуют: оптика и физика тонких магнитных пленок. Оптическая группа Ндао сотрудничала с Эриком Фуллертоном (Eric Fullerton), специалистом по магнитным тонким пленкам и профессором электротехники, вычислительной техники, химической и наноинженерии в UC San Diego.

При этом инженеры не стали создавать новый материал специально для реализации оптического переключения. Вместо этого они изменили сам подход к использованию света и показали, что целенаправленное изменение параметров лазерного луча способно обеспечить свойства, которые ранее считались недостижимыми. До появления практических устройств, однако, еще далеко: современная экспериментальная установка использует специализированный ультрабыстрый лазер, который пока трудно непосредственно интегрировать в микрочипы. Поэтому следующим этапом специалисты считают поиск магнитных материалов, способных демонстрировать аналогичный эффект при работе с более простыми лазерами, пригодными для встраивания в электронные системы. Одновременно команда стремится уменьшить размер светового луча до нескольких сотен нанометров, исследуя оптические структуры, способные удерживать свет в еще меньшем объеме. Именно такие эксперименты могут показать, насколько далеко можно масштабировать управление магнетизмом с помощью специально сформированного света.