飛秒級別！光子存儲器件將具有「光寫」！超快速和高能效！

光是傳遞信息最有效的方式，然而光顯示了一個很大的限制：它很難存儲。事實上，數據中心主要依靠磁性硬碟驅動器。然而，在這些硬碟驅動器中，信息傳輸的能量成本目前正呈爆炸式增長。埃因霍溫理工大學光子集成研究所(TU/e)的研究人員開發了一種「混合技術」，它顯示了光和磁硬碟驅動器的優點。超短(飛秒)光脈衝允許數據直接寫入磁存儲器中，以一種快速和高效的方式。此外，一旦信息被寫入(和存儲)，它就會向前移動，將空間留給空白的內存域，以便用新數據填充。這項研究發表在《自然通訊》上，有望徹底改變未來光子集成電路的數據存儲過程。

博科園-科學科普：數據以「位」的形式存儲在硬碟驅動器中，這是一種帶有北極和南極的微小磁場域。這些磁極的方向(「磁化」)決定了比特是包含數字0還是1。寫入數據是通過「切換」相關位元磁化的方向來實現。通常情況下，當外加磁場作用時，會使磁極的方向向上(1)或向下(0)。或者，也可以通過短(飛秒)激光脈衝(全光開關)實現開關，從而提高數據的存儲效率和速度。TU/e應用物理系博士生Mark Lalieu：用於數據存儲的全光開關技術已經問世大約十年了。當全光開關首次在鐵磁材料中被觀察到時，這一研究領域得到了極大的發展。然而，這些材料的磁化開關需要多個激光脈衝，因此需要很長的數據寫入時間。

存儲數據快一千倍

Lalieu在Reinoud Lavrijsen和Bert Koopmans的指導下，利用單飛秒激光脈衝在合成鐵磁體(一種非常適合自旋電子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和降低了能耗。

ll-optical切換，數據以「位」的形式存儲，位包含數字0(北極向下)或1(北極向上)。數據寫入是通過使用短激光脈衝(紅色)「切換」兩極的方向來實現。圖片：Eindhoven University of Technology

那麼全光開關與現代磁存儲技術相比如何呢？使用單脈衝全光開關的磁化方向的開關大約是皮秒，比今天的技術快100到1000倍。此外由於光學信息存儲在磁性位元中，不需要耗費能源的電子器件，因此在光子集成電路中具有巨大的應用潛力。

「動態」數據

此外，Lalieu將全光開關與所謂的賽馬場存儲器集成在一起。存儲器是一種磁線，通過它，數據以磁比特的形式通過電流有效傳輸。在這個系統中，磁位是用光連續寫入的，並通過電流立即沿導線傳輸，留下空間給空的磁位，從而存儲新的數據。這種在光和磁賽道之間『動態』複製信息的行為，沒有任何中間電子步驟，就像從一輛行駛中的高速列車上跳到另一輛列車上。

存設備中實時寫入數據，磁位(1和0位)由激光脈衝(紅色脈衝，左側)寫入，數據沿跑道傳輸到另一側(黑色箭頭)。在未來，數據也可能被光學讀出(紅色脈衝，右側)。圖片：Eindhoven University of Technology

從「光子塔利」到「磁性冰」，中間沒有任何停頓。你就會明白，通過這種方式可以大大提高速度和減少能源消耗。本研究是在微細電線上進行的。未來，為了更好地集成在晶元上，應該設計納米尺度的更小的器件。此外，納米結構組的物理學也在為光子存儲器的最終集成而努力，目前也在忙著研究(磁)數據的讀出，這種讀出也是全光學的。

博科園-科學科普｜研究/來自：埃因霍溫科技大學

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-08062-4

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