光是传递信息最有效的方式，然而光显示了一个很大的限制：它很难存储。事实上，数据中心主要依靠磁性硬盘驱动器。然而，在这些硬盘驱动器中，信息传输的能量成本目前正呈爆炸式增长。埃因霍温理工大学光子集成研究所(TU/e)的研究人员开发了一种“混合技术”，它显示了光和磁硬盘驱动器的优点。超短(飞秒)光脉冲允许数据直接写入磁存储器中，以一种快速和高效的方式。此外，一旦信息被写入(和存储)，它就会向前移动，将空间留给空白的内存域，以便用新数据填充。这项研究发表在《自然通讯》上，有望彻底改变未来光子集成电路的数据存储过程。
博科园-科学科普：数据以“位”的形式存储在硬盘驱动器中，这是一种带有北极和南极的微小磁场域。这些磁极的方向(“磁化”)决定了比特是包含数字0还是1。写入数据是通过“切换”相关位元磁化的方向来实现。通常情况下，当外加磁场作用时，会使磁极的方向向上(1)或向下(0)。或者，也可以通过短(飞秒)激光脉冲(全光开关)实现开关，从而提高数据的存储效率和速度。TU/e应用物理系博士生Mark Lalieu：用于数据存储的全光开关技术已经问世大约十年了。当全光开关首次在铁磁材料中被观察到时，这一研究领域得到了极大的发展。然而，这些材料的磁化开关需要多个激光脉冲，因此需要很长的数据写入时间。
存储数据快一千倍
Lalieu在Reinoud Lavrijsen和Bert Koopmans的指导下，利用单飞秒激光脉冲在合成铁磁体(一种非常适合自旋电子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和降低了能耗。
ll-optical切换，数据以“位”的形式存储，位包含数字0(北极向下)或1(北极向上)。数据写入是通过使用短激光脉冲(红色)“切换”两极的方向来实现。图片：Eindhoven University of Technology
那么全光开关与现代磁存储技术相比如何呢？使用单脉冲全光开关的磁化方向的开关大约是皮秒，比今天的技术快100到1000倍。此外由于光学信息存储在磁性位元中，不需要耗费能源的电子器件，因此在光子集成电路中具有巨大的应用潜力。
“动态”数据
此外，Lalieu将全光开关与所谓的赛马场存储器集成在一起。存储器是一种磁线，通过它，数据以磁比特的形式通过电流有效传输。在这个系统中，磁位是用光连续写入的，并通过电流立即沿导线传输，留下空间给空的磁位，从而存储新的数据。这种在光和磁赛道之间‘动态’复制信息的行为，没有任何中间电子步骤，就像从一辆行驶中的高速列车上跳到另一辆列车上。
存设备中实时写入数据，磁位(1和0位)由激光脉冲(红色脉冲，左侧)写入，数据沿跑道传输到另一侧(黑色箭头)。在未来，数据也可能被光学读出(红色脉冲，右侧)。图片：Eindhoven University of Technology
从“光子塔利”到“磁性冰”，中间没有任何停顿。你就会明白，通过这种方式可以大大提高速度和减少能源消耗。本研究是在微细电线上进行的。未来，为了更好地集成在芯片上，应该设计纳米尺度的更小的器件。此外，纳米结构组的物理学也在为光子存储器的最终集成而努力，目前也在忙着研究(磁)数据的读出，这种读出也是全光学的。
博科园-科学科普｜研究/来自：埃因霍温科技大学
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-018-08062-4
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