دانشمندان روش جدیدی برای کنترل مغناطیس با استفاده از نور توسعه داده‌اند؛ پیشرفتی که در نهایت می‌تواند ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال را سریع‌تر، فشرده‌تر و کم‌مصرف‌تر کند.
این پژوهش که توسط مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو انجام شده، در مجله Nature Communications منتشر گردید.
هارد دیسک‌های مدرن و سایر سیستم‌های ذخیره‌سازی برای رمزگذاری اطلاعات دیجیتال به صورت صفر و یک به مناطق مغناطیسی بسیار کوچک متکی هستند. نوشتن داده‌های جدید معمولاً شامل اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی برای تغییر جهت این مناطق است. با این حال، این فرآیند انرژی قابل توجهی مصرف می‌کند و محدودیت‌هایی را بر سرعت ثبت اطلاعات تحمیل می‌نماید.
تیم دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو جایگزینی را نشان داده است که از نور برای تغییر این حالت‌های مغناطیسی استفاده می‌کند؛ تکنیکی که به عنوان سوئیچینگ نوری شناخته می‌شود. نور می‌تواند انرژی را در فوران‌های بسیار کوتاه منتقل کند و بر روی مناطق به طور شگفت‌انگیزی کوچک متمرکز شود، که این امر پتانسیل نوشتن اطلاعات مغناطیسی با سرعت بسیار بیشتر و انرژی کمتر را فراهم می‌آورد. به گفته محققان، سوئیچینگ نوری می‌تواند سرعتی بیش از ۱۰۰۰ برابر بیشتر از روش‌های متعارف وابسته به میدان‌های مغناطیسی خارجی داشته باشد.
کوچک کردن نور لیزر برای بهبود ذخیره‌سازی داده
برای امکان‌پذیر کردن این موضوع، مهندسان از یک لیزر فوق سریع تخصصی استفاده کردند و شکل و اندازه پرتو آن را با دقت اصلاح نمودند. پرتو حاصله به طور چشمگیری کوچک‌تر از موارد به کار رفته در آزمایش‌های قبلی بود و محققان کاهش ده‌ها مرتبه بزرگی را توصیف کردند.
چنین کنترل دقیقی بر نور همچنین می‌تواند امکان ذخیره اطلاعات به طور قابل توجهی بیشتر در فضای محدود را فراهم آورد. با هدایت انرژی لیزر به سمت مناطق مغناطیسی کوچک‌تر، دستگاه‌های حافظه آینده می‌توانند داده‌های بیشتری را بدون افزایش ابعاد فیزیکی خود نگه دارند.
«هرچه اندازه پرتو کوچک‌تر باشد، حافظه نوری کوچک‌تر و متراکم‌تر خواهد بود»، گفت عبدالای ندائو، نویسنده ارشد مطالعه و استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهند جیکوبز دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو.
تاکنون، سوئیچینگ نوری با دو محدودیت مهم مواجه بوده است. آزمایش‌های قبلی تنها با ساختارهای مغناطیسی بسیار نازک که حاوی حداکثر سه لایه مغناطیسی بودند موفق عمل کرده بودند. این فرآیند همچنین نیازمند نوری با قطبش خاص بود، به این معنی که امواج الکترومغناطیسی آن باید به شیوه مشخصی جهت‌گیری می‌داشتند.
«آزمایش‌های گذشته نشان داده بودند که افزایش ضخامت ماده فراتر از سه لایه، سوئیچینگ نوری را سرکوب می‌کند»، گفت ندائو. «این امر محدودیتی بر ضخامت کلی ماده مغناطیسی و در نتیجه توانایی آن برای حفظ حافظه در بلندمدت تحمیل می‌کرد.»
این محدودیت‌ها کاربرد بالقوه حافظه نوری را کاهش می‌دادند، به ویژه زیرا ساختارهای مغناطیسی ضخیم‌تر می‌توانند به حفظ اطلاعات ذخیره شده در طولانی مدت کمک کنند.
دانشمندان مانع اصلی حافظه مغناطیسی را برمی‌دارند
با بازطراحی دقیق و کاهش اندازه پرتو لیزر، ندائو و همکارانش راهی برای دور زدن هر دو مانع یافتند.
آن‌ها با موفقیت سوئیچینگ نوری را در یک ساختار مغناطیسی ضخیم‌تر شامل نه لایه متناوب پلاتین و کبالت نشان دادند. محققان همچنین نشان دادند که این فرآیند بدون نیاز به قطبش خاص نور نیز کار می‌کند.
«ما نور را به صورت نوری مهندسی کردیم تا فیزیک حاکم بر ماده را در مقیاس میکرو و نانو تغییر دهیم»، گفت محمد ولید خالد، نویسنده اول مطالعه و دانشجوی دکتری مهندسی برق و کامپیوتر در گروه تحقیقاتی ندائو.
این تکنیک با تمرکز انرژی لیزر در یک ناحیه بسیار کوچک و ارسال دنباله‌ای از ضربان‌های فوق سریع کار می‌کند.
ضربان‌های اولیه به طور مختصر یک ناحیه موضعی از ماده مغناطیسی را گرم می‌کنند و باعث می‌شوند یک منطقه کوچک جهت مغناطیسی خود را معکوس کند. ضربان‌های اضافی به تدریج آن منطقه معکوس شده را بزرگ می‌کنند تا اینکه حالت مغناطیسی جدید پایدار شود.
این توالی کنترل شده دقیق به محققان اجازه می‌دهد تا مغناطیس را به شیوه‌هایی دستکاری کنند که با استفاده از پرتوهای لیزر متعارف ممکن نبوده است.
«کار با یک لیزر تخصصی به ما اجازه داد تا پرتو را به صورت نوری مهندسی کنیم تا شکل و اندازه خاصی داشته باشد»، گفت خالد. «این امر به ما فضای کافی برای کاوش در فیزیک بنیادی‌تر داد که با لیزرهای پرتویی متعارف امکان‌پذیر نیست.»
کشف غیرمنتظره‌ای که نیاز به آزمون‌های مکرر داشت
نتایج غیرمعمول در ابتدا اثبات آن‌ها در جامعه علمی دشوار بود. زیرا اثرات مشاهده شده تفاوت زیادی با آنچه آزمایش‌های قبلی امکان‌پذیر دانسته بودند داشتند، محققان برای تأیید مشاهدات خود به آزمون‌های تکمیلی گسترده‌ای نیاز داشتند.
«اثراتی که ما می‌دیدیم آنقدر جدید و غیرمعمول بودند که قانع کردن دیگران در این حوزه به اینکه کشف ما یک اتفاق تصادفی یک‌باره نبود، برایمان دشوار بود. ما وقت و تلاش زیادی صرف تکرار و راستی‌آزمایی آزمایش‌های خود کردیم تا کارمان را برای جامعه اپتیک ثابت کنیم»، خالد افزود.
این پیشرفت از همکاری بین محققانی متخصص در دو حوزه‌ای که اغلب با هم تلاقی نمی‌کنند، یعنی اپتیک (که بر نور تمرکز دارد) و مواد مغناطیسی، به دست آمد.
تیم تحقیقاتی اپتیک ندائو با اریک فولرتون، متخصص مواد مغناطیسی فیلم نازک در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، همکاری کرد. فولرتون استاد مهندسی برق و کامپیوتر و مهندسی شیمی و نانو، و همچنین استاد endowed chair مرکز تحقیقات حافظه و ثبت دانشگاه است.
ترکیب این حوزه‌های تخصصی به تیم اجازه داد تا مسئله‌ای تثبیت شده در حافظه مغناطیسی را از دیدگاهی متفاوت بررسی کند. به جای توسعه یک ماده مغناطیسی با خواص جدید، محققان بر تغییر نحوه تعامل نور با یک ماده موجود تمرکز کردند.
«به جای طراحی یک ماده جدید برای امکان‌پذیر کردن سوئیچینگ نوری، خود نور را بازطراحی کردیم و خواص جدیدی را نشان دادیم که قبلاً غیرممکن تلقی می‌شدند»، گفت ندائو.
چالش بعدی برای حافظه کامپیوتری فوق سریع
اگرچه نتایج به احتمالات امیدبخشی برای فناوری‌های ذخیره‌سازی آینده اشاره دارند، اما قبل از اینکه بتوان از سوئیچینگ نوری در دستگاه‌های الکترونیکی روزمره استفاده کرد، موانع فنی قابل توجهی باقی مانده است.
یکی از چالش‌های اصلی، لیزر فوق سریع تخصصی مورد نیاز برای آزمایش‌ها است. نسخه‌های فعلی به راحتی در تراشه‌های کامپیوتری ادغام نمی‌شوند و این امر ادغام عملی را دشوار می‌سازد.
محققان در حال بررسی روش‌های دیگری برای دستیابی به نتایج مشابه هستند، از جمله شناسایی مواد مغناطیسی که می‌توانند به سیستم‌های لیزری مناسب‌تر برای ادغام در سخت‌افزار الکترونیکی پاسخ دهند.
آن‌ها همچنین در تلاشند تا اندازه پرتو لیزر را حتی بیشتر کاهش دهند، با هدفی تنها چند صد نانومتر. برای دستیابی به این منظور، تیم در حال کاوش در ساختارهای نوری است که قادرند نور را در مناطق به تدریج کوچک‌تر متمرکز کنند.
این تلاش‌ها با هدف درک این موضوع است که چگونه نور مهندسی شده دقیق می‌تواند مغناطیس را در مقیاس‌های بسیار کوچک دستکاری کند. اگر چالش‌های مهندسی باقی‌مانده برطرف شوند، این رویکرد می‌تواند به امکان‌پذیر کردن نسل جدیدی از دستگاه‌های حافظه فشرده و با چگالی بالا کمک کند که قادر به نوشتن اطلاعات دیجیتال با سرعت‌های بسیار بیشتر هستند.