中国存储网消息，日本媒体报道，日本量子科学技术研究开发机构（QST）的研究团队开发出一种可由激光直接写入的新型磁性存储材料。6月8日，他们宣布该方法有效，该论文被《应用物理快报》评为编辑推荐。
其数据切换速度可达传统电流驱动磁存储器的约1000倍。该成果有望用于未来AI芯片和高速信息系统，同时降低数据中心能耗。
现有磁存储器通常依赖电流改变材料内部的磁化方向来写入信息。虽然断电后数据可保留，但写入速度有限，且电流产生的热量会增加能耗。随着AI和大型数据中心耗电量持续攀升，这一问题愈发突出。
为解决这一难题，研究团队将目光投向“全光磁翻转”技术——利用光而非电流改变磁化方向。此前，这种现象曾在亚铁磁材料中观察到，但由于这些材料的读取性能较差，难以满足稳定数字存储的需求。
广泛用于磁存储器的钴铁硼（CoFeB）合金具有优异的读出性能，却长期被认为不适合光控磁翻转。
这一次，研究团队通过用钆（Gd）和钴（Co）等不同磁性材料层压CoFeB，设计出一种新的多层结构，优化了结构，并实现了世界上首次通过光实现CoFeB自旋反转。
具体来说，我们设计了一种类似夹层的人工铁磁材料，能够精确原子控制多层薄膜的厚度，旨在实现每层自旋方向相反排列的铁磁态。 通过以低于0.1纳米的精度控制每层厚度，并将多层结构整体条件优化在10纳米或更小（见图2），超短脉冲激光器7)仅用一次光脉冲照射，包括CoFeB在内的各层自旋同时反转，即使在反复光脉冲照射操作中，这一现象也能稳定地复现（见图3）。
在这项研究中，NanoTerasu的尖端材料分析技术发挥了关键作用。 世界一流的高亮度同步加速器和X射线磁圆二向色性（XMCD）光谱系统8)利用这一方法，可以详细分析多层结构中层之间的自旋排列和相互作用，在原子层面进行。 从自旋态中获得的见解极大地促进了人工铁磁材料的设计和开发。
图2 新型人造铁磁材料的示意图及内部结构照片
要实现磁化反转，必须达到铁磁状态，使每层自旋垂直且反向排列于薄膜表面，并通过在0.1纳米层级控制每层厚度来优化结构。
图3 人工铁磁材料在接受不同能量光脉冲照射时，从初始状态反复磁化（光学切换）的场景
通过原子尺度精确调控各层厚度并优化整体多层结构，团队实现了利用单个飞秒激光脉冲稳定、可重复地翻转磁状态，并验证了材料能够多次稳定完成写入和重写操作。
研究团队表示，与此前仅在模型材料中实现的光控磁翻转相比，此次在CoFeB体系中取得的突破具有更强的实际应用价值，因为该材料与现有磁隧道结技术高度兼容，更容易融入现有存储器架构。
在研究过程中，团队借助日本第四代同步辐射光源设施NanoTerasu，利用X射线磁圆二色性光谱技术分析材料中的自旋排列和层间相互作用，从原子尺度揭示了多层结构特征，为新材料设计提供了关键依据。
研究团队认为，这项成果的意义不仅限于实验室验证。更快、更节能的存储器有望缓解AI时代隐藏的一项重要成本——数据中心和先进计算系统日益增长的电力需求。
未来，该材料还有望作为光电转换接口，连接光互联与电子电路，推动光电子器件与电子芯片的深度融合，并在未来十年内逐步实现实际应用。
文中涉及技术点及术语解释：
1）电子自旋：
由电子旋转产生的磁铁性质称为自旋。 自转有两种状态：向上和向下。 自旋极化指的是材料中电子自旋方向的向上偏置。 自旋电子学是一种通过将电子自旋的方向（向上/向下）视为数字信息的0和1来处理信息的技术，从而控制或识别这些点。 通过在电子电荷之外使用自旋进行信息处理，它正逐渐受到关注，成为克服当今信息技术所面临问题的技术，如过高的功耗问题。
2）磁性存储器： 磁性存储器是一种存储磁铁（自旋）方向作为信息，并通过反转自旋方向来重写信息的存储器。 在磁性存储器中，通过电性反转磁性材料自旋来重写的存储器称为磁随机存取存储器。利用磁性材料固有的磁铁特性，它具有非挥发性，使得记录的信息能够在无电的情况下永久保存，且重写所需的低能量促使其在全球范围内发展并应用到实际。 然而，这种传统磁存储器在减少电流产生的热量和工作速度方面的功耗方面存在限制，因此实现了显著的性能提升。
3）铁磁性材料： 材料内部自旋方向相反的材料称为铁磁性材料。 铁磁性材料是具有中间性质的材料：铁磁体（如铁），其磁性仅由单向自旋组成;反铁磁体（如氧化锰），其反向自旋完全相互抵消，不表现出磁性。 在铁磁性材料中，类似于反铁磁体，存在相反方向的自旋，但由于每个自旋的大小不同，这些自旋并未被完全抵消，导致磁体性质类似于铁磁体。 近年来，人们发现当这种铁磁材料被极短且宽度为飞秒~皮秒的光脉冲照射时，自旋方向会反转。 这种利用光脉冲实现自旋反演的速度约为电或磁方法的1000倍，且反演所需的能量小几个数量级，因此有望应用于光驱动存储器。
4）钴铁硼合金（CoFeB）： 这种磁性材料在当今的磁性存储器中被广泛使用。 CoFeB具有在与氧化镁（MgO）层压时，能够完美对齐携带电流的自旋，表现出接近100%的高自旋极化比。 因此，利用CoFeB作为磁性存储材料，可以以极低的能量读取自旋方向上记录的信息。 然而，由于CoFeB自旋对光不表现出反应性，它们无法用于光驱动的磁存储器中。
5）NanoTerasu： 该大型指定先进研究设施在国家量子科学技术研究组织（国家研发机构）与光学科学创新中心（区域合作伙伴代表机构）之间的公私区域合作框架下开发和运营。该设施位于东北大学青叶山新校区内，用户选拔及其他程序由高亮度光学科学研究中心（JASRI）负责。 作为日本首个第四代同步辐射设施，通过实现比传统方法高出100倍亮度和相干性能，不仅能分析材料结构，还能详细分析影响功能的“电子态”和“动力学”。
6）自旋极化率： 磁性材料中携带电流的电子自旋偏斜度（向上/向下）称为自旋极化比。 在磁存储器中，通过检测因自旋方向和电流流动难易度导致电流流动差异引起的电阻变化，从而读取电流或光线记录的信息。 此时，电阻变化的幅度很大程度上取决于高自旋极化比，为了准确读取信息，材料需要接近100%的高自旋极化比。
7）超短脉冲激光器： 光脉冲的时间范围为1.0×10-15从第二（飞秒到1.0×10）-12这种激光器可以在极短的时间范围内发射光，仅几秒（皮秒）。 由于能瞬间集中光线，实现超快速且高精度的控制，无需额外加热材料。
8）XMCD（X射线磁圆二色）光谱学：
[已发表论文]
标题：基于CoFeB的人造铁磁体中的全光学开关
作者：S.李、上野正、高桥正、和达太、小野正、能美、大坪义、小谷义、P. D. 本特利、S. Sakai
通讯作者：量子材料与应用研究中心，高崎先进量子科学研究所，国立量子科学技术研究所（QST）
期刊名称：应用物理快报