太赫茲脈衝突破磁資料讀取速度極限

科學家們最近利用太赫茲輻射，成功開發出一種突破性的技術，能夠以破紀錄的速度讀取磁取向。這項技術有望大幅提升資料儲存和檢索的效率，為未來的超高速硬碟鋪平道路。

現代硬碟的儲存容量已達數百萬兆位元組，足以容納數十萬張照片。這些高容量裝置依賴於微小的磁結構來儲存資料。然而，由於資料傳輸速率僅限於每秒幾百兆位元組，存取這些資訊的速度仍然相對緩慢。

近期的實驗探索了一種極具潛力的新方法：利用短電流脈衝讀取磁狀態。自旋電子學的進展表明，透過電子自旋來操控磁特性，特別設計的材料可以突破以往的速度限制。

德國德累斯頓亥姆霍茲研究中心（HZDR）和多特蒙德工業大學的研究人員展示了這一突破性技術。他們不再使用電脈衝，而是利用超快太赫茲光脈衝在皮秒（萬億分之一秒）內讀取磁結構。這項研究成果發表在《自然通訊》期刊上，證實了這一技術的可行性。

HZDR輻射物理研究所的Jan-Christoph Deinert博士解釋道：「我們現在可以透過光誘導電流脈衝更快地確定材料的磁取向。」他的團隊依賴於太赫茲輻射進行實驗，這種光對人眼不可見，波長不到一毫米，位於電磁波譜中的紅外和微波之間。

為了生成這些超短且強烈的太赫茲脈衝，研究人員使用了HZDR的ELBE輻射源。這些脈衝被證明非常適合分析超薄材料樣品的磁化情況。樣品由兩層堆疊而成，每層僅有幾奈米厚。下層由磁性材料（如鈷或鐵鎳合金）製成，而上層則由鉑、鉭或鎢等金屬組成。

HZDR離子束物理與材料研究所的Ruslan Salikhov博士負責生長這些樣品薄膜，他描述道：「在我們的實驗中，太赫茲閃光產生了光與物質之間的多種相互作用。」結合其他短脈衝光學鐳射器，團隊成功視覺化並解碼了這些超薄層中的快速相對論量子效應。

研究人員發現，太赫茲脈衝透過其電場在上層金屬中產生極短暫的電流，電子根據其內在角動量（自旋）排列，形成垂直於層的旋轉電流。在層之間的介面處，具有特定自旋取向的電子迅速累積，這會改變介面的電阻，這一效應被稱為單向自旋霍爾磁阻（USMR）。

多特蒙德工業大學的Sergey Kovalev博士表示：「根據磁化方向，我們在樣品的透明度中產生快速波動。」這會以非常特定的方式改變太赫茲脈衝，穿透樣品後，它們以原始太赫茲輻射的兩倍頻率振盪，即二次諧波頻率。Kovalev總結道：「我們可以精確檢測這種振盪，從而確定下層的磁化方向。」

目前，研究團隊不僅在探索如何讀取磁儲存資料，還在研究如何利用太赫茲輻射寫入資料。然而，他們也認識到，將這一基礎研究成果轉化為超高速硬碟可能需要相當長的時間。這將需要更緊湊的短太赫茲脈衝源以及高效的分析感測器。儘管如此，超快USMR效應揭示了相對簡單材料系統中的複雜機制，這些機制在未來超高速磁儲存應用的開發中將發揮重要作用。