日本開發由激光寫入的磁存儲材料切換數據提速千倍

科技日報訊 （記者張佳欣）據最新一期《應用物理快報》報道，日本量子科學技術研究開發機構研究團隊開發出可由激光直接寫入的新型磁性存儲材料，其數據切換速度可達傳統電流驅動磁存儲器的約1000倍，有望用於未來AI芯片和高速信息系統，同時可降低數據中心能耗。

現有磁存儲器通常依靠電流改變材料內部磁化方向來寫入信息，雖然斷電后仍可保存數據，但寫入速度有限，而且電流產生的熱量會增加能耗。隨著AI和大型數據中心耗電量持續攀升，這些問題愈發突出。

為解決這一難題，研究團隊將目光投向“全光磁翻轉”技術，即利用光而非電流改變磁化方向。此前這種現象曾在亞鐵磁材料中觀察到，但由於這些材料讀取性能較差，難以滿足穩定數字存儲的需求。廣泛用於磁存儲器的鈷鐵硼（CoFeB）合金具有優異的讀出性能，卻一直被認為不適合進行光控磁翻轉。

於是，研究團隊設計出一種由鈷、釓和CoFeB層構成的人工亞鐵磁結構，各層之間通過反鐵磁交換耦合連接。他們利用原子尺度精確調控各層厚度並優化整體多層結構，實現了利用單個飛秒激光脈沖穩定、可重復地翻轉磁狀態，並驗証了材料能夠多次穩定完成寫入和重寫操作。

研究團隊表示，與此前僅在模型材料中實現的光控磁翻轉相比，此次在CoFeB體系中取得的突破具有更強的實際應用價值，因為該材料與現有磁隧道結技術高度兼容，更容易融入現有存儲器架構。

研究過程中，團隊借助日本第四代同步輻射光源設施NanoTerasu，利用X射線磁圓二色性光譜技術分析材料中的自旋排列和層間相互作用，從原子尺度揭示多層結構特征，為新材料設計提供了關鍵依據。

研究團隊認為，這項成果的意義不僅限於實驗室驗証。更快、更節能的存儲器有望緩解AI時代隱藏的一項重要成本，即數據中心和先進計算系統日益增長的電力需求。未來，這種材料還有望作為光電轉換接口連接光互聯與電子電路，推動光電子器件與電子芯片深度融合，並在未來十年內逐步實現實際應用。