磁涡旋存储器的光学读写

近日，美国布鲁克海文国家实验室高级物理学家Yimei Zhu团队、新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授团队和上海交通大学特别研究员陈斌研究团队合作，利用四维电子显微镜的洛伦兹相位成像（Lorentz phase imaging）技术，研究了飞秒激光淬火（femtosecond laser quenching）诱导的各种对称的铁磁性坡莫合金（Permalloy）磁盘的磁性涡流（magnetic vortex）变化，提出并成功验证了一种新的光学淬火方法，实现了磁性涡流的快速切换，在信息存储和自旋电子学方面有着重要的应用。相关工作以“Optical manipulation of magnetic vortices visualized in situ by Lorentz electron microscopy”为题，发表在《Science Advances》期刊上。

21世纪，随着计算机和因特网技术高度发展，人类步入了飞速发展的数字信息化时代。因此，大量数据和信息需要得到高效的记录和保存，使得人们对信息存储的要求越来越高。近年来，磁存储技术发展迅速，特别是基于磁性涡旋（magnetic vortex）技术的数据存储使得信息能够被快速复制、大量保存和快速处理。尽管这种新型高效的磁记录方式具有高密度、高速度、高稳定性等优点，但目前为止在现代信息技术领域仍然存在不少技术挑战，受到了越来越多研究人员的关注。

磁性涡旋结构是一种非均匀磁化的稳定磁结构，由中心的涡核 (vortex core)和外围区域两部分构成。磁性涡旋用作磁存储单元时，根据手性和极性的排列组合，一个磁涡旋结构就可同时存储2个比特（bits）信息，可使得磁盘的容量增加为传统的2倍。并且，这种磁涡旋受材料的拓扑性质保护，能够在一定程度上有效防止热波动，因此可以用于制备高密度、非易失性磁性记忆和存储的优异自旋电子器件。

在磁性涡旋存储器中，涡流的手性和极性代表了每个存储单元所记录的信息，每一次的转换或切换即代表了信息的“记录”过程。以往几乎所有的研究中，大多集中在施加外部磁场（脉冲、交变等），或利用自旋极化电流来驱动磁涡流核心的转换，并通过创建磁场以及磁化湮灭来进行磁涡的手性与极性的切换。然而，涡核在切换之前就已经发生了旋转运动（gyrotropic motion），研究者难以确定核心切换发生的准确时间；这种旋转运动本身也大大降低了切换的速度，不可避免地影响了数据存储记录的速度。

在本项研究中，研究人员在对称的铁磁性坡莫合金（Permalloy）磁盘中，利用四维电子显微镜的洛伦兹相位成像技术，原位（in situ）观测到了飞秒激光淬火（femtosecond laser quenching）诱导的磁涡结构的快速切换过程，并成功验证了光热辅助飞秒激光脉冲在铁磁薄膜中实现信息的高效存储的可能性。由于这种切换模式仅涉及光学过程，并不涉及涡流核心的旋转运动，因此在超快磁记录中具有独特的优点。特别的是，如果利用圆极化飞秒激光的逆法拉第效应，甚至可能在铁磁薄膜中实现全光学的磁性切换。

除了验证磁涡旋手性与极性的快速转换外，研究人员还设计了不同形状的对称磁盘（圆形、方形、规则三角形等），以研究纳米尺度下的几何约束效应。他们观察到了之前从未被观察到的大量复杂的亚稳态磁结构，它们是由许多新产生的拓扑缺陷(涡旋和反涡旋)组成。受磁盘几何约束的影响，拓扑缺陷的自旋构型呈镜面或旋转对称性，这种复杂磁结构出现的概率与它们在磁盘边缘的“成核-生长”能量和钉扎效应有关。

最后，研究人员通过微磁性的计算模拟，几乎再现了所有观测到的磁结构，进一步揭示了磁化动力学和形成机制。在本文中，还提出了一种新型的光学淬火辅助的磁性快速切换模式，为高效控制基于磁涡的信息处理器件以及自旋电子器件的设计等提供了一条新的思路。

（A）4D洛伦兹电子显微镜对飞秒激光脉冲引起的自旋构型变化进行成像的示意图。

（B）由于自旋手征的变化，在飞秒激光脉冲激发之前和之后圆形磁盘中的磁涡洛伦兹反转机制。

（C）飞秒激光脉冲引起的圆形、方形和规则三角形磁盘中的磁涡旋变化。

（A至C）分别在圆形、方形和三角形磁盘中的飞秒激光脉冲的频率分布

（A至C）分别在圆形、方形和三角形磁盘中，飞秒激光脉冲诱导的磁结构出现的频率分布和能量的模拟结果。

在飞秒激光脉冲激发后的不同时间，在三角形磁盘中的磁化动力学快照：

（A）形成单磁涡状态;

（B）形成具有两个涡流的磁结构;

（C）形成具有三个涡流的磁结构。

（左）光淬辅助，基于磁涡的信息记录系统的示意图

（右）用于光学淬火辅助，基于磁性涡旋的信息记录过程的工作机制。

Xuewen Fu, Shawn D. Pollard, Bin Chen,Byung-Kuk Yoo, Hyunsoo Yang, Yimei Zhu,Optical manipulation of magnetic vortices visualized in situ by Lorentz electronmicroscopy.Sci.Adv.4,e3037(2018).

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