Μνήμη που γράφεται με φως: γιατί στο UC San Diego άλλαξαν το λέιζερ αντί για το υλικό

Μια ομάδα μηχανικών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο (UC San Diego) κατάφερε να «γράψει» μαγνητική πληροφορία σε λεπτό υμένιο κοβαλτίου και λευκόχρυσου χρησιμοποιώντας μόνο παλμούς λέιζερ, χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η δημοσίευση στο Nature Communications δεν φέρνει νέο υλικό. Φέρνει νέο τρόπο να διαμορφώνεται το ίδιο το φως, και αυτό αρκεί για να ξεπεραστούν δύο εμπόδια που κρατούσαν την τεχνική στο εργαστήριο σχεδόν δύο δεκαετίες.

Η ουσία δεν είναι ότι αύριο θα αγοράζουμε «οπτικούς» σκληρούς δίσκους. Είναι ότι μια ιδέα που μέχρι τώρα λειτουργούσε μόνο σε πολύ λεπτές και επιλεγμένες δομές αρχίζει να δουλεύει σε υλικά πιο κοντά σε αυτά που χρειάζεται η βιομηχανία αποθήκευσης.

Με μια ματιά

• Η ομάδα του UC San Diego αντέστρεψε μαγνητικές περιοχές μόνο με φως, σε στοίβα εννέα στρωμάτων κοβαλτίου και λευκόχρυσου.
• Με κατάλληλα διαμορφωμένη δέσμη, η εγγραφή έπαψε να εξαρτάται από τη φορά της κυκλικής πόλωσης του φωτός.
• Η εκτίμηση για 1.000 φορές ταχύτερη εγγραφή είναι προοπτική, όχι μέτρηση σε λειτουργική συσκευή μνήμης.

Πώς γράφεται σήμερα ένα bit

Οι σκληροί δίσκοι αποθηκεύουν δεδομένα σε μικροσκοπικές μαγνητικές περιοχές, όπου ο προσανατολισμός της μαγνήτισης αντιστοιχεί σε 0 ή 1. Για να αλλάξει ένα bit, η κεφαλή εγγραφής δημιουργεί τοπικό μαγνητικό πεδίο. Η διαδικασία καταναλώνει ενέργεια και έχει όριο στην ταχύτητα με την οποία μπορεί να αναστραφεί η μαγνήτιση.

Το φως έχει ήδη μπει στους δίσκους, αλλά ως βοηθός. Η τεχνολογία HAMR (heat-assisted magnetic recording) χρησιμοποιεί ένα μικρό λέιζερ για να θερμάνει στιγμιαία το σημείο εγγραφής, ώστε να «μαλακώσει» το υλικό και να το αλλάξει ευκολότερα το μαγνητικό πεδίο. Η Seagate ανακοίνωσε τον Μάρτιο ότι οι δίσκοι της πλατφόρμας Mozaic 4+, έως 44 TB, αποστέλλονται σε όγκο σε δύο μεγάλους παρόχους cloud και ότι στοχεύει σε δίσκους έως 100 TB. Και εκεί, όμως, το bit το γράφει τελικά το πεδίο της κεφαλής.

Η οπτική εναλλαγή (all-optical switching) πάει ένα βήμα παραπέρα: το φως δεν βοηθά, γράφει μόνο του.

Μια ιδέα από το 2007

Η αφετηρία είναι ολλανδική. Το 2007, ο Κλαούντιου Στάντσιου και οι συνεργάτες του στο Ναϊμέγκεν έδειξαν ότι ένας μόνο παλμός λέιζερ διάρκειας 40 femtosecond, με κυκλική πόλωση, μπορεί να αντιστρέψει μόνιμα τη μαγνήτιση ενός κράματος γαδολινίου, σιδήρου και κοβαλτίου. Η κατεύθυνση της νέας μαγνήτισης καθοριζόταν από τη φορά της πόλωσης, αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη. Μέχρι τότε, όπως έγραφε το Laser Focus World, αυτό θεωρούνταν από πολλούς αδύνατο.

Το 2014, μια ομάδα με επικεφαλής τον Έρικ Φούλερτον στο UC San Diego, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Λωρραίνης, έδειξε ότι το φως μπορεί να ελέγξει τη μαγνήτιση σε ευρύτερη κατηγορία σιδηρομαγνητικών υλικών, πιο κατάλληλων για αποθήκευση από τα κράματα των πρώτων πειραμάτων. Η εγγραφή όμως γινόταν σε κλίμακα μικρομέτρων, και στις μέχρι πρόσφατα επιδείξεις έμεναν δύο περιορισμοί: λειτουργούσε μόνο σε πολύ λεπτές στοίβες, το πολύ τριών μαγνητικών στρωμάτων, και απαιτούσε συγκεκριμένη πόλωση του φωτός. Τα λεπτά στρώματα είναι πρόβλημα, γιατί συγκρατούν δυσκολότερα την πληροφορία για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Τι άλλαξε τώρα

Ο Φούλερτον συμμετέχει και στη νέα εργασία, με επικεφαλής τον καθηγητή Αμπντουλαγέ Ντάο και πρώτο συγγραφέα τον υποψήφιο διδάκτορα Μουχαμάντ Γουαλίντ Χαλίντ. Η ομάδα δεν έψαξε νέο υλικό. Επανασχεδίασε τη δέσμη.

Σύμφωνα με την περιγραφή του περιοδικού Optics & Photonics News, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λέιζερ τιτανίου-ζαφείρου με παλμούς 120 femtosecond στα 800 νανόμετρα, και ειδικά οπτικά στοιχεία, μια πλάκα «δίνης» φάσης και ένα S-waveplate, για να παράγουν διανυσματικές δέσμες με δομημένη πόλωση. Με φακούς υψηλού αριθμητικού ανοίγματος η δέσμη εστιάστηκε σε κηλίδες από 1,92 έως 0,96 μικρόμετρα, ώστε να συγκεντρώνεται περισσότερη ενέργεια σε μικρότερη επιφάνεια.

Η εγγραφή γίνεται σε στάδια. Οι πρώτοι παλμοί θερμαίνουν μια μικρή περιοχή και αντιστρέφουν τη μαγνήτισή της. Οι επόμενοι τη διευρύνουν, μέχρι η νέα κατάσταση να σταθεροποιηθεί. Έτσι η τεχνική λειτούργησε σε στοίβα εννέα εναλλασσόμενων στρωμάτων κοβαλτίου και λευκόχρυσου, τριπλάσια σε πάχος από ό,τι επέτρεπαν οι προηγούμενες δοκιμές. Επιπλέον, για κηλίδες μικρότερες από περίπου 1,36 μικρόμετρα, η αντιστροφή έπαψε να εξαρτάται από τη φορά της κυκλικής πόλωσης.

«Αντί να σχεδιάσουμε νέο υλικό για την οπτική εναλλαγή, επανασχεδιάσαμε το ίδιο το φως», δήλωσε ο Ντάο. Ο Χαλίντ παραδέχθηκε ότι η ομάδα δυσκολεύτηκε να πείσει τους συναδέλφους της ότι το αποτέλεσμα δεν ήταν τυχαίο, και ότι χρειάστηκε να επαναλάβει και να επαληθεύσει τα πειράματα πολλές φορές.

Τι σημαίνει και τι λείπει

Το πιο σημαντικό εύρημα, κατά την ανάγνωση αυτού του άρθρου, δεν είναι η ταχύτητα αλλά η ευελιξία. Αν η οπτική εγγραφή μπορεί να προσαρμοστεί στο υλικό μέσω της διαμόρφωσης της δέσμης, οι μηχανικοί αποκτούν έναν νέο «μοχλό» πέρα από τη χημεία των υμενίων. Και επειδή η πυκνότητα της αποθήκευσης εξαρτάται άμεσα από το μέγεθος της κηλίδας, κάθε σμίκρυνση μεταφράζεται, θεωρητικά, σε περισσότερα bit ανά τετραγωνικό εκατοστό. «Όσο μικρότερη η δέσμη, τόσο μικρότερη και πυκνότερη η οπτική μνήμη», σημειώνει ο Ντάο.

Τα όρια όμως είναι σαφή. Οι κηλίδες του πειράματος είναι της τάξης του μικρομέτρου, πολύ μεγαλύτερες από τα bit των σημερινών δίσκων. Ο στόχος της ομάδας είναι να φτάσει σε μερικές εκατοντάδες νανόμετρα, που παραμένει απόσταση από τις εμπορικές πυκνότητες. Το λέιζερ femtosecond που χρησιμοποιήθηκε είναι εργαστηριακό όργανο και, όπως αναγνωρίζει το ίδιο το πανεπιστήμιο, δεν ενσωματώνεται εύκολα σε τσιπ. Οι ερευνητές εξετάζουν είτε υλικά που αποκρίνονται σε πρακτικότερα λέιζερ είτε νέες οπτικές δομές.

Όσο για τον αριθμό που κυκλοφορεί στους τίτλους, την εγγραφή «1.000 φορές ταχύτερη», πρόκειται για εκτίμηση των ερευνητών για τη δυνητική ταχύτητα της οπτικής εναλλαγής σε σύγκριση με τις μεθόδους που βασίζονται σε μαγνητικό πεδίο. Δεν έχει μετρηθεί σε λειτουργική μνήμη, και η ταχύτητα ενός πραγματικού συστήματος εξαρτάται από πολλά ακόμη στοιχεία, από την ανάγνωση έως τη μηχανική του δίσκου.

Η πρόοδος αυτή, λοιπόν, ανήκει στη βασική έρευνα. Δείχνει ότι μία από τις πιο φιλόδοξες ιδέες της μαγνητικής αποθήκευσης, το bit που γράφεται αποκλειστικά με φως, ξεπερνά εμπόδια που θεωρούνταν δομικά. Ο δρόμος προς τον εμπορικό δίσκο περνά από τη σμίκρυνση της δέσμης και από ένα λέιζερ που να χωρά σε κεφαλή εγγραφής. Κανένα από τα δύο δεν έχει λυθεί ακόμη.