Grundlegende Aspekte des optischen Einzelimpulsschaltens von nanometergroßen magnetischen Speichermedien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt beleuchtet Schreibmechanismen digitaler Datenspeicherung auf ihre Energieeffizienz. In diesem Zusammenhang hat die optische helizitätsabhängige Magnetisierungsschaltung (AOHDS) das Potential konventionelle Datenaufnahmetechnologien zu ersetzen. Dabei schweben kleine Elektromagnete direkt über der Oberfläche einer magnetischen Platte, erzeugen magnetische Felder und legen so die Magnetisierung von eindomänigen Partikel fest. So wird Information gespeichert. In neuen Schreibkopfgenerationen sind Laser integriert, um Teilchen zu erhitzen, so Schaltfelder zu reduzieren und die Elektromagneten zu unterstützen. Nach über 40 Jahren Fortentwicklung aller technologischen Aspekte, ist diese Methode am Optimierungsende, darunter Bitverkleinerung, Beschleunigung der Schreibprozesse und Reduzierung des Energieverbrauchs angelangt. AOHDS ersetzt die Elektromagnete in Schreibköpfen durch zirkular polarisierte ultrakurze Laserpulse. Diese erzeugen zwei Beiträge zur Magnetisierungsumschaltung in granularem FePt. Erstens, Magento-optischer zirkularer Dichroismus (MCD) ermöglicht getrennte Elektronentemperaturen entgegengesetzter Spins durch erhöhte Photonenabsorption einer Sorte. Dies ermöglicht gezielte Spinmanipulation und deterministisches Schalten. Zweitens, induziert der inverse Faraday Effekt (IFE) eine Magnetisierung und optimiert die Schaltwahrscheinlichkeit für die gewünschte Richtung. Wir untersuchen das IFE-Potential von Photonenenergien im mittleren Infrarotbereich angewandt auf granulares FePt und die Interaktion zwischen dem IFE und dem MCD bzw. dem Hitzeeintrag durch Laserpulsabsorption. Ein durch den IFE verbessertes Schaltverhalten entfaltet sich am besten für Wellenlängen mit höherer Absorption. Das hat zur Folge, Wellenlängen mit größeren intrinsischen IFE-Koeffizienten profitieren weniger von deren Verstärkung, falls die Absorption nicht ausreicht, um Elektronentemperaturen bei kleinen Fluenzen in die Nähe der Curie Temperatur anzuheben, und so die Magnetisierung zu unterdrücken. Dieser Zustand erlaub die Entfaltung der eher kleinen IFE-Wirkung und höhere Schaltraten. Energieeffiziente Datenspeicherung erlangt Relevanz. Der jährliche globale Energieverbrauch durch Rechenzentren, künstliche Intelligenz oder Kryptowährungen wird voraussichtlich innerhalb einer Dekade 1000 TWh überschreiten. Irland, ein europäischer Rechenzentrumsknoten, veranschlagt z.B. 32% seines Elektroenergiebedarfs für diesen Sektor. Alle drei Anwendungen treiben den wachsenden Energiebedarf und die Anzahl der Datenspeicherungsvorgänge an. Ihr Energiebedarf steigt voraussichtlich weiterhin. Folglich erscheinen energieeffiziente Datenspeichertechnologien unbedeutend, im Blick auf einzelne Bits, insgesamt bilden sie jedoch einen signifikanten Faktor. Ferner bietet das Forschungsprojekt mögliche Anhaltspunkte zur Erhöhung der Datenspeicherkapazität sowie der Speichergeschwindigkeit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Exploring the impact of the inverse Faraday-effect on all-optical helicity-dependent magnetization switching. Journal of Applied Physics, 138(4).
Kohlmann, M.; Vollroth, L.; Jäckel, K.; Hovorakova, K.; Schmoranzerova, E.; Carva, K.; Hinzke, D.; Nowak, U.; Münzenberg, M. & Walowski, J.
