高速又節(jié)能的光子存儲器

朱崇愷

?全光學(xué)磁開關(guān)，數(shù)據(jù)寫入由外界施加的（紅色）激光脈沖實現(xiàn)

光是最節(jié)能的信息傳遞方式。然而，它有一個很大的局限：光子很難被存儲。事實上，目前的數(shù)據(jù)中心主要依靠磁性硬盤驅(qū)動器。在數(shù)字計算機(jī)中，數(shù)據(jù)以“位”的形式存儲在磁盤中，磁盤上布滿了具有南北極的微小磁極。這些磁極的方向確定了這一“位”包含的數(shù)字是向下（0）還是向上（1）。寫入數(shù)據(jù)是通過磁頭“切換”相應(yīng)的磁化方向來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)上，由磁頭施加外部磁場時，小磁極的方向會被同化，從而將信息永久地保留在磁盤上。這種切換也能夠通過一種被稱為全光開關(guān)的短激光脈沖來完成。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)首次在鐵磁性材料（磁存儲器件最有前景的材料之一）中被觀察到時，該研究領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展。但是在這些材料中切換磁化方向需要多個激光脈沖，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)寫入時間很長。

問題是，對于磁盤來說，其讀寫速度有限，使用數(shù)據(jù)時又需要先將其讀入內(nèi)存。隨著數(shù)據(jù)容量的增加，存儲信息所需的能量也正呈爆炸式增長。因此，荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)光子集成研究所的研究人員開發(fā)出一種同時利用光子和磁極優(yōu)勢的“混合技術(shù)”。

在雷諾德·拉夫里杰森（Reinoud Lavrijsen）和伯特·庫普曼（Bert Koopmans）兩位教授的指導(dǎo)下，埃因霍芬理工大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)博士生馬克·拉利烏（Mark Lalieu）對亞鐵磁體—一種非常適合應(yīng)用于自旋電子學(xué)的材料—的全光學(xué)極化進(jìn)行了深入研究。最終的效果如何呢？馬克表示：“現(xiàn)在我們只需使用單個激光脈沖就可以完成磁化方向的光切換，所需的時間大約為1皮秒，比現(xiàn)有磁技術(shù)快100～1000倍。此外，發(fā)出激光脈沖所需的電能比傳統(tǒng)磁頭要低得多，如果未來計算機(jī)實現(xiàn)了光子集成電路的話，所需的轉(zhuǎn)換成本還可以進(jìn)一步降低，因此它有著巨大的潛力。”

伯特補(bǔ)充道：“最終我們實現(xiàn)的磁道結(jié)構(gòu)好比信息在軌道上飛行，數(shù)據(jù)在光子和磁性賽道之間復(fù)制信息，沒有任何的中間電子步驟，就像是從一輛移動的高速列車跳到鐵軌上。顯而易見，這種方式將大大提高寫入速度并降低能耗。”