既高速又节能的新一代光子存储器

（文章来源：百家号）
        光，是一种能效最高的信息传输方式。但是，光却具有一个巨大的局限性：难以存储。实际上，数据中心主要依靠磁硬盘驱动器。然而，在这些硬盘中，信息传输的能耗目前正呈“爆炸式”地急剧增长。

荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）光子集成研究所开发出一种将光与磁硬盘驱动器的优势结合起来的“混合技术”。超短（飞秒）光脉冲，让数据能以一种快速、高能效的方式直接写入磁存储器中。此外，一旦信息被写入（以及存储），它就会向前移动，将空间留给空白的存储域，以便新数据填充。

发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上的这项研究，有望彻底革新未来光子集成电路中的数据存储过程。硬盘驱动器中的数据是以“比特位”的形式存储，这是一种具有“南极”和“北极”的微小磁畴。这些磁极的方向（“磁化强度”）决定了这些“比特位”是包含数字“0”还是“1”。写入数据的过程是通过“切换”相关比特位的磁化强度方向来实现的。

通常情况下，当有外部磁场施加的时候，切换就发生了。这种外部磁场使得磁极的方向要么是“向上（1）”，要么是“向下（0）”。或者，这种切换也可以通过一种短（飞秒）激光脉冲来实现，它也称为“全光开关”。全光开关将带来一种更有效、更高速的数据存储。

埃因霍芬理工大学应用物理系博士生 Mark Lalieu 表示：“数据存储所用的全光开关已有差不多十年的历史了。当全光开关被首次在铁磁性材料（它属于磁存储器件最有前景的材料）中观察到时，这一研究领域得到了极大的发展。然而，这些材料中磁化强度的切换，需要多个激光脉冲，因此需要很长的数据写入时间。”

Lalieu 在 Reinoud Lavrijsen 和 Bert Koopmans 的指导下，利用单个飞秒激光脉冲，在人工合成的亚铁磁体（一种很适合自旋电子学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度并降低了能耗。

此外，Lalieu 将全光开关与所谓的“赛道存储器”集成在一起。这种存储器是一种磁线。通过它，数据以磁比特位的形式，通过电流高效传输。在这种系统中，磁比特位是采用光线持续写入的，并且通过电流立即沿着电线传输，留下空间给空的磁比特位，从而存储新数据。

那么，全光开关与现代磁存储技术相比如何呢？Lalieu 表示：“采用单脉冲全光开关切换磁化强度方向的耗时是皮秒级的，比当今的技术快成百上千倍。此外，因为光学信息存储在磁比特位中，无需耗费能量的电子器件，所以未来在光子集成电路中具有巨大的应用潜力。”

Koopmans 表示：“在光线与磁赛道之间‘运行中’的数据复制，无需任何中间电子步骤，就像从一辆高速行驶的列车上跳到另一辆高速行驶的列车上。从‘光子的Thalys高速列车’到‘磁性的ICE高速列车’，中间没有任何停顿。你会明白，这种方式将大大提高速度并降低能耗。”

这项研究是在微米级的电线上进行的。未来，更小的纳米级器件设计将有利于更好地集成在芯片上。此外，纳米结构物理组的科学们正为了光子存储器件的最终集成而努力。目前，他们也正忙着研究（磁性）数据的读出，这种读出也将通过全光学的方式实现。