導讀
近日，荷蘭埃因霍芬理工大學光子集成研究所開發出一種將光與磁硬盤驅動器的優勢結合起來的“混合技術”。超短（飛秒）光脈衝，讓數據能以一種快速、高能效的方式，直接寫入磁存儲器中。背景
光，是一種能效最高的信息傳輸方式。但是，光卻具有一個巨大的侷限性：難以存儲。實際上，數據中心主要依靠磁硬盤驅動器。然而，在這些硬盤中，信息傳輸的能耗目前正呈“爆炸式”地急劇增長。
創新
近日，荷蘭埃因霍芬理工大學（TU/e）光子集成研究所開發出一種將光與磁硬盤驅動器的優勢結合起來的“混合技術”。超短（飛秒）光脈衝，讓數據能以一種快速、高能效的方式直接寫入磁存儲器中。此外，一旦信息被寫入（以及存儲），它就會向前移動，將空間留給空白的存儲域，以便新數據填充。
發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的這項研究，有望徹底革新未來光子集成電路中的數據存儲過程。
技術
硬盤驅動器中的數據是以“比特位”的形式存儲，這是一種具有“南極”和“北極”的微小磁疇。這些磁極的方向（“磁化強度”）決定了這些“比特位”是包含數字“0”還是“1”。寫入數據的過程是通過“切換”相關比特位的磁化強度方向來實現的。
通常情況下，當有外部磁場施加的時候，切換就發生了。這種外部磁場使得磁極的方向要麼是“向上（1）”，要麼是“向下（0）”。或者，這種切換也可以通過一種短（飛秒）激光脈衝來實現，它也稱為“全光開關”。全光開關將帶來一種更有效、更高速的數據存儲。
如下圖所示：全光開關。數據以“比特位”的形式存儲，這些比特位包含數字“0（北極向下）”和“1（北極向上）”。數據的寫入是通過採用超短激光脈衝（紅色）“切換”兩極的方向來實現的。
埃因霍芬理工大學應用物理系博士生 Mark Lalieu 表示：“數據存儲所用的全光開關已有差不多十年的歷史了。當全光開關被首次在鐵磁性材料（它屬於磁存儲器件最有前景的材料）中觀察到時，這一研究領域得到了極大的發展。然而，這些材料中磁化強度的切換，需要多個激光脈衝，因此需要很長的數據寫入時間。”
（圖片來源：Sumio Ishihara）
Lalieu 在 Reinoud Lavrijsen 和 Bert Koopmans 的指導下，利用單個飛秒激光脈衝，在人工合成的亞鐵磁體（一種很適合自旋電子學數據應用的材料系統）中實現了全光開關，從而利用了數據寫入的高速度並降低了能耗。
此外，Lalieu 將全光開關與所謂的“賽道存儲器”集成在一起。這種存儲器是一種磁線。通過它，數據以磁比特位的形式，通過電流高效傳輸。在這種系統中，磁比特位是採用光線持續寫入的，並且通過電流立即沿著電線傳輸，留下空間給空的磁比特位，從而存儲新數據。
如圖所示：在賽道存器器中“運行時”的數據寫入，磁比特位(“1”與“0”)由激光脈衝(紅色脈衝，左側)寫入，數據沿賽道傳輸到另一側(黑色箭頭)。未來，數據也可能通過光學方式讀出(紅色脈衝，右側)。
價值
那麼，全光開關與現代磁存儲技術相比如何呢？Lalieu 表示：“採用單脈衝全光開關切換磁化強度方向的耗時是皮秒級的，比當今的技術快成百上千倍。此外，因為光學信息存儲在磁比特位中，無需耗費能量的電子器件，所以未來在光子集成電路中具有巨大的應用潛力。”
Koopmans 表示：“在光線與磁賽道之間‘運行中’的數據複製，無需任何中間電子步驟，就像從一輛高速行駛的列車上跳到另一輛高速行駛的列車上。從‘光子的Thalys高速列車’到‘磁性的ICE高速列車’，中間沒有任何停頓。你會明白，這種方式將大大提高速度並降低能耗。”
未來
這項研究是在微米級的電線上進行的。未來，更小的納米級器件設計將有利於更好地集成在芯片上。此外，納米結構物理組的科學們正為了光子存儲器件的最終集成而努力。目前，他們也正忙著研究（磁性）數據的讀出，這種讀出也將通過全光學的方式實現。
關鍵字
光、存儲技術、磁【1】https://www.tue.nl/en/news/news-overview/10-01-2019-next-generation-photonic-memory-devices-are-light-written-ultrafast-and-energy-efficient/
【2】M. L. M. Lalieu, R. Lavrijsen, B. Koopmans. Integrating all-optical switching with spintronics. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-08062-4
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