可由激光直接写入的新型磁性存储材料

近日，日本量子科学技术研究开发机构研究团队开发出可由激光直接写入的新型磁性存储材料，其数据切换速度可达传统电流驱动磁存储器的约1000倍，有望用于未来AI芯片和高速信息系统，同时可降低数据中心能耗。相关研究成果发表在最新一期的《应用物理快报》上。

现有磁存储器通常依靠电流改变材料内部磁化方向来写入信息，虽然断电后仍可保存数据，但写入速度有限，而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，这些问题愈发突出。

为解决这一难题，研究团队将目光投向“全光磁翻转”技术，即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，却一直被认为不适合进行光控磁翻转。

于是，研究团队设计出一种由钴、钆和CoFeB层构成的人工亚铁磁结构，各层之间通过反铁磁交换耦合连接。他们利用原子尺度精确调控各层厚度并优化整体多层结构，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。

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，即数据中心和先进计算系统日益增长的电力需求。未来，这种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深度融合，并在未来十年内逐步实现实际应用。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1063/5.0328535