新一代光子存储器：既高速又节能！

导读

近日，荷兰埃因霍芬理工大学光子集成研究所开发出一种将光与磁硬盘驱动器的优势结合起来的“混合技术”。超短（飞秒）光脉冲，让数据能以一种快速、高能效的方式，直接写入磁存储器中。

背景

光，是一种能效最高的信息传输方式。但是，光却具有一个巨大的局限性：难以存储。实际上，数据中心主要依靠磁硬盘驱动器。然而，在这些硬盘中，信息传输的能耗目前正呈“爆炸式”地急剧增长。

创新

近日，荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）光子集成研究所开发出一种将光与磁硬盘驱动器的优势结合起来的“混合技术”。超短（飞秒）光脉冲，让数据能以一种快速、高能效的方式直接写入磁存储器中。此外，一旦信息被写入（以及存储），它就会向前移动，将空间留给空白的存储域，以便新数据填充。

发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的这项研究，有望彻底革新未来光子集成电路中的数据存储过程。

技术

硬盘驱动器中的数据是以“比特位”的形式存储，这是一种具有“南极”和“北极”的微小磁畴。这些磁极的方向（“磁化强度”）决定了这些“比特位”是包含数字“0”还是“1”。写入数据的过程是通过“切换”相关比特位的磁化强度方向来实现的。

通常情况下，当有外部磁场施加的时候，切换就发生了。这种外部磁场使得磁极的方向要么是“向上（1）”，要么是“向下（0）”。或者，这种切换也可以通过一种短（飞秒）激光脉冲来实现，它也称为“全光开关”。全光开关将带来一种更有效、更高速的数据存储。

如下图所示：全光开关。数据以“比特位”的形式存储，这些比特位包含数字“0（北极向下）”和“1（北极向上）”。数据的写入是通过采用超短激光脉冲（红色）“切换”两极的方向来实现的。

（图片来源：埃因霍芬理工大学）

埃因霍芬理工大学应用物理系博士生 Mark Lalieu 表示：“数据存储所用的全光开关已有差不多十年的历史了。当全光开关被首次在铁磁性材料（它属于磁存储器件最有前景的材料）中观察到时，这一研究领域得到了极大的发展。然而，这些材料中磁化强度的切换，需要多个激光脉冲，因此需要很长的数据写入时间。”

（图片来源：Sumio Ishihara）

Lalieu 在 Reinoud Lavrijsen 和 Bert Koopmans 的指导下，利用单个飞秒激光脉冲，在人工合成的亚铁磁体（一种很适合自旋电子学数据应用的材料系统）中实现了全光开关，从而利用了数据写入的高速度并降低了能耗。

此外，Lalieu 将全光开关与所谓的“赛道存储器”集成在一起。这种存储器是一种磁线。通过它，数据以磁比特位的形式，通过电流高效传输。在这种系统中，磁比特位是采用光线持续写入的，并且通过电流立即沿着电线传输，留下空间给空的磁比特位，从而存储新数据。

如图所示：在赛道存器器中“运行时”的数据写入，磁比特位(“1”与“0”)由激光脉冲(红色脉冲，左侧)写入，数据沿赛道传输到另一侧(黑色箭头)。未来，数据也可能通过光学方式读出(红色脉冲，右侧)。

（图片来源：埃因霍芬理工大学）

价值

那么，全光开关与现代磁存储技术相比如何呢？Lalieu 表示：“采用单脉冲全光开关切换磁化强度方向的耗时是皮秒级的，比当今的技术快成百上千倍。此外，因为光学信息存储在磁比特位中，无需耗费能量的电子器件，所以未来在光子集成电路中具有巨大的应用潜力。”

Koopmans 表示：“在光线与磁赛道之间‘运行中’的数据复制，无需任何中间电子步骤，就像从一辆高速行驶的列车上跳到另一辆高速行驶的列车上。从‘光子的Thalys高速列车’到‘磁性的ICE高速列车’，中间没有任何停顿。你会明白，这种方式将大大提高速度并降低能耗。”

未来

这项研究是在微米级的电线上进行的。未来，更小的纳米级器件设计将有利于更好地集成在芯片上。此外，纳米结构物理组的科学们正为了光子存储器件的最终集成而努力。目前，他们也正忙着研究（磁性）数据的读出，这种读出也将通过全光学的方式实现。

关键字

光、存储技术、磁

参考资料

【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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