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局限性：難以存儲。實際上，數(shù)據(jù)中心主要依靠磁硬盤驅(qū)動器。然而，在這些硬盤中，信息傳輸?shù)哪芎哪壳罢?ldquo;爆炸式”地急劇增長。

創(chuàng)新

近日，荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)（TU/e）光子集成研究所開發(fā)出一種將光與磁硬盤驅(qū)動器的優(yōu)勢結(jié)合起來的“混合技術(shù)”。超短（飛秒）光脈沖，讓數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)填充。

發(fā)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(shù)據(jù)存儲過程。

技術(shù)

硬盤驅(qū)動器中的數(shù)據(jù)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(shù)字“0”還是“1”。寫入數(shù)據(jù)的過程是通過“切換”相關(guān)比特位的磁化強度方向來實現(xiàn)的。

通常情況下，當(dāng)有外部磁場施加的時候，切換就發(fā)生了。這種外部磁場使得磁極的方向要么是“向上（1）”，要么是“向下（0）”?；蛘?，這種切換也可以通過一種短（飛秒）激光脈沖來實現(xiàn)，它也稱為“全光開關(guān)”。全光開關(guān)將帶來一種更有效、更高速的數(shù)據(jù)存儲。

如下圖所示：全光開關(guān)。數(shù)據(jù)以“比特位”的形式存儲，這些比特位包含數(shù)字“0（北極向下）”和“1（北極向上）”。數(shù)據(jù)的寫入是通過采用超短激光脈沖（紅色）“切換”兩極的方向來實現(xiàn)的。

 

（圖片來源：埃因霍芬理工大學(xué)）

 

埃因霍芬理工大學(xué)應(yīng)用物理系博士生 Mark Lalieu 表示：“數(shù)據(jù)存儲所用的全光開關(guān)已有差不多十年的歷史了。當(dāng)全光開關(guān)被首次在鐵磁性材料（它屬于磁存儲器件最有前景的材料）中觀察到時，這一研究領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。然而，這些材料中磁化強度的切換，需要多個激光脈沖，因此需要很長的數(shù)據(jù)寫入時間。”

 

（圖片來源：Sumio Ishihara）

Lalieu 在 Reinoud Lavrijsen 和 Bert Koopmans 的指導(dǎo)下，利用單個飛秒激光脈沖，在人工合成的亞鐵磁體（一種很適合自旋電子學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用的材料系統(tǒng)）中實現(xiàn)了全光開關(guān)，從而利用了數(shù)據(jù)寫入的高速度并降低了能耗。

此外，Lalieu 將全光開關(guān)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(shù)據(jù)以磁比特位的形式，通過電流高效傳輸。在這種系統(tǒng)中，磁比特位是采用光線持續(xù)寫入的，并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(shù)據(jù)。

如圖所示：在賽道存器器中“運行時”的數(shù)據(jù)寫入，磁比特位(“1”與“0”)由激光脈沖(紅色脈沖，左側(cè))寫入，數(shù)據(jù)沿賽道傳輸?shù)搅硪粋?cè)(黑色箭頭)。未來，數(shù)據(jù)也可能通過光學(xué)方式讀出(紅色脈沖，右側(cè))。

 

（圖片來源：埃因霍芬理工大學(xué)）

 

價值

那么，全光開關(guān)與現(xiàn)代磁存儲技術(shù)相比如何呢？Lalieu 表示：“采用單脈沖全光開關(guān)切換磁化強度方向的耗時是皮秒級的，比當(dāng)今的技術(shù)快成百上千倍。此外，因為光學(xué)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(yīng)用潛力。”

Koopmans 表示：“在光線與磁賽道之間‘運行中’的數(shù)據(jù)復(fù)制，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并降低能耗。”

未來

這項研究是在微米級的電線上進(jìn)行的。未來，更小的納米級器件設(shè)計將有利于更好地集成在芯片上。此外，納米結(jié)構(gòu)物理組的科學(xué)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(shù)據(jù)的讀出，這種讀出也將通過全光學(xué)的方式實現(xiàn)。