دانشمندان روش جدیدی را برای کنترل مغناطیس با استفاده از نور ابداع کرده‌اند، پیشرفتی که در نهایت می‌تواند ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال را سریعتر، فشرده‌تر و کارآمدتر کند.
این تحقیق که توسط مهندسان دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو انجام شده است، در مجله منتشر شده است ارتباطات طبیعت.
هارد دیسک های مدرن و سایر سیستم های ذخیره سازی برای رمزگذاری اطلاعات دیجیتالی مانند 1 و 0 به میدان های مغناطیسی کوچک متکی هستند. ثبت داده های جدید معمولاً شامل اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی برای تغییر جهت این مناطق است. با این حال، این فرآیند انرژی قابل توجهی مصرف می کند و محدودیت هایی را برای سرعت ثبت اطلاعات ایجاد می کند.
تیم UC San Diego جایگزینی را نشان داد که از نور برای تغییر این حالات مغناطیسی استفاده می کند، تکنیکی که به عنوان سوئیچینگ نوری شناخته می شود. نور می‌تواند انرژی را در فوران‌های بسیار کوتاه ارائه کند و می‌تواند بر روی مناطق بسیار کوچک متمرکز شود و به طور بالقوه اجازه می‌دهد اطلاعات مغناطیسی بسیار سریعتر و با انرژی کمتر ثبت شوند. به گفته محققان، سوئیچینگ نوری می تواند به سرعت بیش از 1000 برابر سریعتر از روش های معمولی که به میدان های مغناطیسی خارجی وابسته هستند، دست یابد.
نور لیزر قابل جمع شدن برای بهبود ذخیره سازی داده ها
برای ایجاد این امکان، مهندسان از یک لیزر فوق سریع تخصصی استفاده کردند و شکل و اندازه پرتو آن را با دقت تغییر دادند. پرتو به‌دست‌آمده به‌طور چشمگیری کوچکتر از آن‌هایی بود که در آزمایش‌های قبلی استفاده می‌شد، و محققان کاهش ده‌ها مرتبه بزرگی را توصیف کردند.
چنین کنترل دقیقی بر نور ممکن است ذخیره اطلاعات بسیار بیشتری را در یک فضای محدود نیز ممکن سازد. با هدایت انرژی لیزر به مناطق مغناطیسی کوچکتر، دستگاه های حافظه آینده به طور بالقوه می توانند داده های بیشتری را بدون افزایش اندازه فیزیکی خود نگهداری کنند.
عبدالله ندائو، نویسنده ارشد این مطالعه، استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی UC San Diego Jacobs، می‌گوید: «هرچه اندازه پرتو کوچکتر باشد، حافظه نوری کوچکتر و متراکم‌تر است».
سوئیچینگ نوری تاکنون با دو محدودیت مهم روبرو بوده است. آزمایش‌های قبلی فقط با ساختارهای مغناطیسی بسیار نازک که بیش از سه لایه مغناطیسی را شامل نمی‌شدند موفقیت‌آمیز بودند. این فرآیند همچنین به نور با قطبش خاص نیاز دارد، به این معنی که امواج الکترومغناطیسی آن باید به روشی خاص جهت گیری شوند.
ندائو گفت: «آزمایش‌های گذشته نشان داده‌اند که افزایش ضخامت مواد فراتر از سه لایه، سوئیچ نوری را سرکوب می‌کند. این یک محدودیت بر ضخامت کلی ماده مغناطیسی و در نتیجه توانایی آن برای حفظ حافظه در دراز مدت اعمال می کند.
این محدودیت‌ها کاربرد بالقوه حافظه نوری را محدود می‌کنند، به ویژه به این دلیل که ساختارهای مغناطیسی ضخیم‌تر می‌توانند به حفظ اطلاعات ذخیره‌شده برای مدت طولانی کمک کنند.
دانشمندان بر یک سد بزرگ حافظه مغناطیسی غلبه کردند
با فرمت مجدد و کاهش اندازه پرتو لیزر، ندائو و همکارانش راهی برای دور زدن هر دو مانع پیدا کردند.
آنها با موفقیت سوئیچ نوری را در یک ساختار مغناطیسی ضخیم‌تر نشان دادند که شامل نه لایه متناوب پلاتین و کبالت بود. محققان همچنین نشان دادند که این فرآیند بدون نیاز به قطبش خاصی از نور کار می کند.
محمد ولید خالد، نویسنده اول مطالعه، دکترا گفت: «ما نور را برای تغییر فیزیک که در مواد در مقیاس میکرو و نانو اتفاق می‌افتد، مهندسی نوری کردیم. در مهندسی برق و کامپیوتر. دانشجوی گروه تحقیقاتی Ndao.
این تکنیک با متمرکز کردن انرژی لیزر در یک منطقه بسیار کوچک و ارائه دنباله ای از پالس های فوق سریع کار می کند.
اولین پالس ها به طور مختصر یک ناحیه موضعی از ماده مغناطیسی را گرم می کنند و باعث می شود ناحیه کوچکی جهت مغناطیسی خود را معکوس کند. پالس های اضافی به تدریج این ناحیه معکوس را گسترش می دهند تا زمانی که حالت مغناطیسی جدید پایدار شود.
این توالی با دقت کنترل شده به محققان اجازه می دهد تا مغناطیس را به روش هایی دستکاری کنند که با استفاده از پرتوهای لیزر معمولی به دست نیامده است.
خالد گفت: کار با یک لیزر تخصصی به ما این امکان را می دهد که پرتو را به صورت نوری طراحی کنیم تا شکل و اندازه خاصی داشته باشد. این به ما این امکان را داد که فیزیک بنیادی بیشتری را که نمی‌توان با لیزرهای پرتوی معمولی انجام داد، کشف کنیم.»
یک کشف غیرمنتظره که نیاز به آزمایش های مکرر دارد
اثبات نتایج غیرعادی در ابتدا در جامعه علمی دشوار بود. از آنجایی که این اثرات بسیار متفاوت از آنچه آزمایش‌های قبلی احتمال داده بودند متفاوت بود، محققان برای تأیید مشاهدات خود به آزمایش‌های اضافی بیشتری نیاز داشتند.
خالد افزود: “اثراتی که ما می دیدیم آنقدر بدیع و غیرمعمول بود که برای ما دشوار بود که دیگران را در این زمینه متقاعد کنیم که کشف ما یک اتفاق تصادفی نیست. ما زمان و تلاش زیادی را صرف تکرار و تأیید آزمایش های خود کردیم تا کار خود را برای جامعه نوری توجیه کنیم.”
این پیشرفت در نتیجه همکاری بین محققان متخصص در دو زمینه که اغلب با هم تلاقی نمی کنند به دست آمد: اپتیک که نور را متمرکز می کند و مواد مغناطیسی.
تیم تحقیقاتی اپتیک Ndao با اریک فولرتون، متخصص مواد مغناطیسی لایه نازک در UC San Diego کار کردند. فولرتون استاد مهندسی برق و کامپیوتر و مهندسی شیمی و نانو و همچنین استاد مرکز تحقیقات حافظه و ضبط دانشگاه است.
ترکیب این حوزه‌های تخصص به تیم اجازه داد تا یک مشکل ثابت شده در حافظه مغناطیسی را از منظری متفاوت بررسی کند. به جای توسعه یک ماده مغناطیسی با خواص جدید، محققان بر تغییر نحوه تعامل نور با یک ماده موجود تمرکز کردند.
ندائو گفت: “به جای طراحی یک ماده جدید برای فعال کردن سوئیچ نوری، ما خود نور را دوباره طراحی کردیم و ویژگی های جدیدی را نشان دادیم که قبلا تصور نمی شد.”
چالش بعدی برای حافظه کامپیوتر فوق سریع
اگرچه نتایج به احتمالات امیدوارکننده‌ای برای فناوری‌های ذخیره‌سازی آینده اشاره می‌کند، اما موانع فنی قابل توجهی قبل از استفاده از سوئیچینگ نوری در دستگاه‌های الکترونیکی روزمره باقی می‌ماند.
یکی از چالش های اصلی، لیزر فوق سریع تخصصی مورد نیاز برای آزمایش است. نسخه های فعلی به راحتی در تراشه های کامپیوتری گنجانده نمی شوند و یکپارچگی عملی را دشوار می کند.
محققان در حال بررسی راه‌های دیگری برای دستیابی به نتایج مشابه هستند، از جمله شناسایی مواد مغناطیسی که می‌توانند به سیستم‌های لیزری مناسب‌تر برای ادغام با سخت‌افزار الکترونیکی پاسخ دهند.
آنها همچنین در تلاشند تا اندازه پرتو لیزر را حتی بیشتر کاهش دهند و تنها چند صد نانومتر را هدف قرار دهند. برای رسیدن به این هدف، این تیم ساختارهای نوری را بررسی کردند که قادر به تمرکز نور در مناطق به تدریج کوچکتر بودند.
هدف این تلاش ها درک این موضوع است که چگونه نور مهندسی شده دقیق می تواند مغناطیس را در مقیاس های بسیار کوچک دستکاری کند. اگر بتوان بر چالش‌های مهندسی باقی مانده غلبه کرد، این رویکرد می‌تواند به ایجاد نسل جدیدی از دستگاه‌های حافظه فشرده و با چگالی بالا کمک کند که قادر به ضبط اطلاعات دیجیتال با سرعت‌های بسیار بالاتر هستند.
