과학자들은 빛의 모양을 바꾸어 자기 메모리를 생성하고 물질의 자기 특성을 제어합니다.

자기 비트는 일반적으로 필드가 방향을 한 방향에서 다른 방향으로 밀어냄에 따라 위치가 변경됩니다. UC 샌디에고 연구원들은 이전의 광 스위칭 실험에 사용된 것보다 훨씬 두꺼운 자기 필름에서도 신중하게 설계된 빛이 이러한 작업을 수행할 수 있음을 보여주었습니다.

연구팀은 초고속 레이저 펄스를 집중된 벡터 빔으로 형성하고 이를 사용하여 외부 자기장 없이 백금-코발트 다층의 자화를 역전시켰습니다. 조명된 영역을 축소하고 빛이 그 위에 분산되는 방식을 제어함으로써 연구자들은 두 가지 광학 반전 메커니즘 사이를 전환할 수 있습니다.

Nature Communications에 발표된 이 연구는 광학 빔 설계 자체가 자기 메모리의 제어 손잡이가 될 수 있음을 보여줍니다. 현재 설정은 실험실 실험으로 남아 있지만 이는 결국 더 빠르고 밀도가 높은 데이터 저장을 지원할 수 있습니다.

자기 저장 장치는 자성이 두 가지 안정적인 방향 중 하나를 가리키는 작은 구체를 통해 정보를 나타냅니다. 해당 방향을 변경하면 디지털 0 또는 1에 해당하는 새 위치가 기록됩니다.

초단파 레이저 펄스는 또 다른 가능성을 제공합니다. 빛은 펨토초 내에 에너지를 축적하고 미세한 영역에 집중될 수 있습니다. 따라서 연구자들은 인가된 자기장이 아닌 빛으로 자화가 조작되는 전광 스위칭을 연구하는 데 수년을 보냈습니다.

이러한 작업의 대부분은 신중하게 선택한 재료, 정확한 구성 또는 원형 편광에 따라 달라지며, 감도에 따라 최종 자기 상태가 결정됩니다. 이러한 요구 사항으로 인해 영향력을 확장 가능한 기술로 전환하려는 노력이 복잡해졌습니다.

UC San Diego 팀은 새로운 자성 재료를 개발하는 대신 광학 빔으로 전환했습니다. 연구진은 백금과 코발트의 교대 층을 포함하는 얇은 필름을 사용하여 작업했으며 1~10개의 반복된 Pt/Co 이중층으로 구조를 테스트했습니다.

그의 주요 장비는 원형 편광 벡터 빔이었습니다. 기존의 가우스 레이저 빔과 달리 이 구조화된 빔은 초점 영역의 편광을 재분배하고 초점이 촘촘할 때 더 작은 영역에 에너지를 집중할 수 있습니다.

높은 개구수 현미경 대물렌즈를 사용하여 팀은 일련의 실험에서 유효 레이저 지점을 약 1.92 마이크로미터에서 0.96 마이크로미터로 줄였습니다. 계산 결과, 벡터 빔은 동일한 초점 조건에서 유사한 가우시안 빔보다 최대 약 15% 더 좁은 초점을 생성할 수 있는 것으로 나타났습니다.

첫 번째 저자인 Muhammad Waleed Khalid는 “우리는 마이크로 및 나노 규모의 물질에서 발생하는 물리학을 변경하기 위해 빛을 광학적으로 설계했습니다.”라고 말했습니다.

더 큰 스폿 크기에서 백금-코발트 필름은 더 친숙한 방식으로 동작합니다. 최종 자기 상태는 입사광이 오른쪽 또는 왼쪽 원형 편광을 갖는지 여부에 따라 달라집니다.

전광 나선 의존성 스위칭이라고 불리는 이 프로세스는 반복되는 펄스에 걸쳐 발생합니다. 초기 펄스는 재료를 가열하고 역방향 영역을 핵생성하는 반면, 이후 펄스는 자기 방향의 발달을 선호합니다.

연구자들이 빔을 조였을 때, 그 의존성은 사라지기 시작했습니다. 3회 반복 Pt/Co 스택에서 유효 공간이 약 1.36μm 이하에 도달하면 자화는 나선 독립적이 되었습니다.

그러면 오른쪽과 왼쪽 원형 벡터 광선은 본질적으로 동일한 최종 자기 상태를 생성합니다. 빛의 자연스러움보다는 빛의 기하학적 구조가 지배적인 요소가 되었습니다.

연구원들은 이러한 변화를 주변의 가열되지 않은 필름의 쌍극자 자기장과 결합된 강렬한 국지적 가열에 기인한다고 생각합니다. 작은 조명 영역은 레이저 펄스가 퀴리 온도에 가깝게 구동한 후에 인접한 자기장이 안정되기가 더 쉽습니다.

독립형 Pt/Si 다층을 사용한 이전 연구에서는 심각한 두께 문제에 직면했습니다. 더 많은 자기층이 추가됨에 따라 평형 영역은 더 작아지고 레이저 가열은 안정적으로 역전된 자기장이 아닌 복잡한 다중 영역 패턴을 남기기 시작했습니다.

빔 감금은 이러한 균형을 변화시켰습니다. 4개의 Pt/CO 반복을 통해 테스트된 모든 스폿 크기에서 나선성 독립적 전환이 나타났습니다. 5~9개의 반복 샘플에서 빛이 파장 규모 근처에 집중될 때 결정론적 반전이 보존되었습니다.

이 결과는 더 큰 자기 부피가 열 안정성을 향상시켜 저장된 정보가 시간이 지남에 따라 자발적인 변화에 저항할 수 있도록 해주기 때문에 중요합니다. 그러나 9회 반복 이후에는 줄무늬 모양의 도메인이 비슷한 반전을 방지했습니다.

실험에서는 준비된 메모리 셀이 전혀 나타나지 않았습니다. 연구진은 박막 샘플 전체에 걸쳐 펨토초 레이저를 스캔하고 패러데이 현미경으로 자기 도메인을 관찰했습니다. 그들의 시스템은 800나노미터에서 120펨토초 펄스와 1킬로헤르츠의 반복률을 사용했습니다.

이 메커니즘은 일부 강자성 물질에서 입증된 단일 샷 광 스위칭과 다릅니다. 이러한 Pt/Co 필름에서는 결정론적 반전이 여러 펄스를 통해 누적적으로 진화했습니다.

첫 번째 펄스는 제한된 영역을 가열하고 역자기 도메인을 시작했습니다. 지속적인 조명을 통해 해당 도메인이 안정적인 구성으로 성장하고 구성될 수 있었습니다.

이 차이는 속도를 고려할 때 중요합니다. 펨토초 빛은 매우 빠른 자화 역학을 유발할 수 있지만 이 실험에서는 상용 하드 드라이브보다 수천 배 빠르게 독립 비트를 저장 장치에 쓰는 것을 보여주지 못했습니다.

주요 발전은 통제입니다. 빔 크기, 초점 및 편광 분포를 조정함으로써 연구원들은 재료를 재설계하지 않고도 자기 전환 경로를 변경했습니다.

수석 저자인 Abdoulaye Ndao는 “광학 스위칭을 가능하게 하는 새로운 재료를 설계하는 대신 빛을 재설계하여 이전에는 불가능했던 새로운 특성을 보여주었습니다”라고 말했습니다.

광학적으로 기록된 자기 메모리를 칩으로 옮기기까지는 몇 가지 장애물이 남아 있습니다. 실험실 시스템은 기존의 저장 전자 장치에 쉽게 결합할 수 없는 특수 초고속 레이저 및 광학 구성 요소를 사용합니다.

연구원들은 낮은 에너지에서 안정적으로 전환되는 작은 통합 광원, 나노 규모 광학 구조 및 재료가 필요합니다. 연구팀은 또한 빛을 단지 수백 나노미터로 제한하는 방법도 연구하고 있습니다.

그러나 이 작업은 설계 문제의 일부를 변화시킵니다. 빔 형상이 자화가 어떻게 반전되는지 결정할 수 있다면 자기 스택과 그 위에 기록되는 빛을 공동 최적화하여 미래의 메모리 장치를 구축할 수 있습니다.

이러한 접근 방식은 결국 완전히 새로운 자성 재료가 필요 없이 자기 저장 장치를 더 빠르고 더 컴팩트하게 만들 수 있습니다.

이러한 리소스는 초고속 자기 제어, 광학 메모리 및 통합 장치를 향한 경로에 대한 최신의 직접 관련 참조 자료를 제공합니다.

광학 보조 초고속 스핀트로닉스: 검토: 메모리 및 장치 응용 분야에 중점을 두고 페리자성체, 강자성체, 다층, 호이슬러 합금 및 2차원 재료의 전광 스위칭을 다루는 포괄적인 최근 검토입니다. (물리학 보고서, 2025)