激光，让数据存储变得更快

UFO爱好者

激光，让数据存储变得更快
                               
                                （译注，文中第二段所述，该技术是通过激光改变电子自旋方向（上或下）来储存信息。文中的磁性、磁矩应该都是指影响电子自旋的磁性质，下文中的Magnet译为磁性不太合适，统一译为磁矩）


实验中的光学元件设置让我们能获得短到10毫微微秒的可见激光脉冲 图片来源：Courtesy of Dr. R. Borrego-Varillas and Prof. G. Cerullo, University Politecnico Milan (Italy), Author provided

     当我们使用的数据越来越多时，该用什么来储存这些逐年递增的数据呢？我们对网络应用、文件分享、社交网络和其他服务激增的需求依赖于存储在“云”端的信息。“云”端指的是在联网的终端服务器上存储、管理和加工数据。这些需求反过来促进了人们对更快、更小并且更高效的云端任务执行器的需要。
    云计算、集成芯片和通信连接有三个核心要素，其中两个要素是高速和微型高效。我的研究应用于第三个核心要素：在硬件上储存数据。
    在最基础的级别上，计算机是用0和1来加工数据的。而硬盘通过改变磁盘上一小块区域的磁化作用来储存数据，让它的磁化方向上下变化来跟二进制计算机语言中的“1”和“0”对应。
    硬盘上的一小块平面可以储存一片信息，更多的信息可以被储存在一块给定的空间里。基于此，为了将信息保存在一块极小的区域里，我们可以利用独立电子拥有的磁性，也就是它们的自旋。关于电子自旋的研究，也被称为“自旋电子学”，致力于让人们能够以更高速和能量效率更高的方法来控制电子的自旋方向。
（译注：实际上自旋这个称呼是相当有误导性的，只是人们没有找到更好的称呼。电子的这个特性跟旋转没有关系，但跟电子内部磁矩有关。电磁通过一个恒定磁场落在两个点上，而非如人们预想的那样形成一道连续的线。电子具体落在哪个点上决定于电子的自旋方向。电子自旋仅有两个方向，与两个点一一对应。
资料来源  量子力学老师的某日闲谈）

磁极上闪耀的光芒
    我的工作就是用非常短的激光脉冲——千万亿分之一秒，或者说是“毫微微秒”——来控制电子的自旋。比起单纯地缩小储存物体积来说，激光的引入让我们在数据储存和检索速度上有了突飞猛进般的提升。将如今技术下的数据读写速度与毫微微秒的电子自旋相比，就如同让地球上最快的高速列车与光速作比较，差距显而易见。
    此外，如果人们真的使用全光学方法在那些对光通透、体积小巧或者没有多余热量损失的材料上储存信息，人们对数据中心冷却系统的要求将会降低，而这对经济与环境来说都是一件巨大的好事。

超高速激光控磁
    十年前，研究首先证明了激光脉冲可以通过控制电子自旋来写入数据，而且还能通过检测自旋来读出数据。人们在电子的磁矩中测量这种极微小的震动。在早期的探索过后，研究者们认为——虽然最后被证明是错误的——激光无法影响或是检测小于激光波长本身的波动，因此，在纳米级的空间尺度和毫微微秒级的时间尺度里控制电子中的磁矩是不可能的。


经过艺术修饰的示意图，红色箭头表示激光对电子自旋的影响。图片来源：Dr. D. Afanasiev and Prof. A.V. Kimel, Radboud University Nijmegen (The Netherlands)

    最近，我所在的国际研究小组找到了实验性的证明，这种对激光和尺度的局限实际并不存在（译注，按上文，此处指激光可以改变和探测小于它本身光波波长的波动）。在45毫微微秒的时间里我们就可以改变小如纳米的磁矩方向。它的速度是当今硬盘驱动器的20,000倍，而体积仅为如今驱动器的一千万分之一。
    这预示着，未来的设备可能可以达到22THz的运行速度——这是如今商用电脑中GHz级时钟速度的1，000倍。同时，未来设备的体积也会远小于如今。

待开发的科学新领域
    除了在现代计算机上的应用外，这项研究在学术上也是相当重要的。在研究物质的磁性上，传统的理论和实验都假设实验材料处于“平衡态”——在这种状态中，系统的宏观特征量（温度，压强，磁性）要么是不变的常数，要么改变非常缓慢。
    然而，毫微微秒级的激光脉冲就可以扰动物质的磁平衡。这种扰动能让我们在磁性材料的非静止态下进行研究，为基础研究开拓了新的疆界。我们已经见识过了磁矩消失、倒转等奇异现象，这些东西挑战着了我们对磁性的认知，因为它们不可能是平衡态。其他的现象将会在进一步的研究中被发现。

    科学的创新总是有一个这样的开头：一名科研工作者，也是一个白日梦想家，他能想象人们尚未观测到的现象。高速磁极这个研究领域将有一个大跨越，这项技术的进步不会带来更快的笔记本电脑，但会使从不关机的、联网的电脑变得更快、更小也更便宜。此外，数据的物理储存处不会再产生那么多热量，对数据中心的冷却装置要求也低得多。这对经济和环境都有重要意义。这些技术的新性能都要求我们拓展基础学科的研究领域，也要求我们为那些我们曾经幻想而今实现了的的技术让步。
本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。

翻译：叶紫微；审校：李昱

原文链接[The Conversation]：
https://theconversation.com/using-lasers-to-make-data-storage-faster-than-ever-54796