高速又節能的光子存儲器

朱崇愷

?全光學磁開關，數據寫入由外界施加的（紅色）激光脈沖實現

光是最節能的信息傳遞方式。然而，它有一個很大的局限：光子很難被存儲。事實上，目前的數據中心主要依靠磁性硬盤驅動器。在數字計算機中，數據以“位”的形式存儲在磁盤中，磁盤上布滿了具有南北極的微小磁極。這些磁極的方向確定了這一“位”包含的數字是向下（0）還是向上（1）。寫入數據是通過磁頭“切換”相應的磁化方向來實現的。傳統上，由磁頭施加外部磁場時，小磁極的方向會被同化，從而將信息永久地保留在磁盤上。這種切換也能夠通過一種被稱為全光開關的短激光脈沖來完成。數據存儲所用的全光開關已有差不多十年的歷史了，當全光開關首次在鐵磁性材料（磁存儲器件最有前景的材料之一）中被觀察到時，該研究領域得到了極大的發展。但是在這些材料中切換磁化方向需要多個激光脈沖，從而導致數據寫入時間很長。

問題是，對于磁盤來說，其讀寫速度有限，使用數據時又需要先將其讀入內存。隨著數據容量的增加，存儲信息所需的能量也正呈爆炸式增長。因此，荷蘭埃因霍芬理工大學光子集成研究所的研究人員開發出一種同時利用光子和磁極優勢的“混合技術”。

在雷諾德·拉夫里杰森（Reinoud Lavrijsen）和伯特·庫普曼（Bert Koopmans）兩位教授的指導下，埃因霍芬理工大學應用物理專業博士生馬克·拉利烏（Mark Lalieu）對亞鐵磁體—一種非常適合應用于自旋電子學的材料—的全光學極化進行了深入研究。最終的效果如何呢？馬克表示：“現在我們只需使用單個激光脈沖就可以完成磁化方向的光切換，所需的時間大約為1皮秒，比現有磁技術快100～1000倍。此外，發出激光脈沖所需的電能比傳統磁頭要低得多，如果未來計算機實現了光子集成電路的話，所需的轉換成本還可以進一步降低，因此它有著巨大的潛力?！?/p>

伯特補充道：“最終我們實現的磁道結構好比信息在軌道上飛行，數據在光子和磁性賽道之間復制信息，沒有任何的中間電子步驟，就像是從一輛移動的高速列車跳到鐵軌上。顯而易見，這種方式將大大提高寫入速度并降低能耗?！?/p>