随着今天数据传输速率仅有几百兆字节每秒，访问数字信息仍然相对较慢。初步实验已经显示出一种有前景的新策略：可以通过短电流脉冲读取磁态，最近发现的自旋电子学效应在专门构建的材料系统中可能消除以往的速度限制。研究人员目前正在提供这种超快数据源可行性的证据。它们使用的是超短的太赫兹光脉冲，而不是电脉冲，从而使得在皮秒内读取磁结构成为可能。
如今，单个现代硬盘可以存储几百万兆字节——提供足够的存储空间来保存数十万张照片。这些多千兆字节硬盘依赖于微小的磁结构。然而，数据传输速率仅为几百兆字节每秒，访问这些数字信息仍然比较慢。初步实验已经显示出一种有前景的新策略：可以通过短电流脉冲读取磁状态，最近发现的自旋电子学效应在专门构建的材料系统中可能消除以往的速度限制。德累斯顿-罗斯托克赫尔默茨中心（HZDR）和多特蒙德大学的研究人员现在正在提供这种超快数据源可行性的证据。它们使用的是超短的太赫兹光脉冲，而不是电脉冲，从而使得在皮秒内读取磁结构成为可能。该团队在《自然通讯》期刊上发表了研究结果。
“我们现在可以通过光诱导的电流脉冲更快速地确定材料的磁方向，”HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert博士解释道。在他们的实验中，物理学家和他的团队使用的是人眼不可见的光——即所谓的太赫兹辐射。这种光的波长刚好低于一毫米，位于电磁光谱中的红外辐射和微波辐射之间。这种光的来源是HZDR的ELBE辐射源，研究人员可以生成极短和强度极大的太赫兹脉冲。这被证明非常适合于分析薄膜材料样品的磁化情况。
样品由两层极薄的叠加层组成。对于下层，研究人员选择了一种由钴或铁镍合金等元素制成的磁性材料。上层则由铂、钽或钨等金属构成。这些金属层的厚度均不超过三纳米。“当层的厚度如此薄时，只有部分太赫兹辐射能够穿透材料，”Deinert解释道。这种部分透明性是能够读取下层磁化的一个重要前提。
简单材料，复杂机制
“在我们的实验中，太赫兹闪光在光与物质之间产生了多种相互作用，”来自HZDR离子束物理与材料研究所的Ruslan Salikhov博士描述道，他负责生长样品薄膜。通过与其他短脉冲光学激光结合，团队成功地可视化和解码了在极薄层中的快速相对论量子效应。首先，太赫兹脉冲通过其电场在上层金属中生成极短暂的电流。值得注意的是，电子根据其内在角动量的取向，即自旋，排列成队形，形成垂直于层的自旋电流。在层的界面上，具有特定自旋取向的电子迅速积累。根据这些自旋的排列和下层的磁化方向，界面的电阻发生变化。研究人员将这一效应称为单向自旋霍尔磁阻或简称为USMR。
USMR效应几年前由苏黎世联邦理工学院的研究人员发现，但HZDR和多特蒙德大学的团队现在取得了显著进展。多亏了这一效应，研究人员可以通过极短的太赫兹脉冲非常快速地读取磁化方向。他们确保自旋电流每秒改变方向一万亿次。此外，得益于USMR效应，界面的电阻变化同样快速。因此，量子效应导致了对太赫兹辐射本身的反应。
“根据磁化方向，我们生成了样品透明度的快速波动，”来自多特蒙德大学的Sergey Kovalev博士说。这以非常具体的方式改变太赫兹脉冲。穿透样品后，它们以原始太赫兹辐射频率的两倍的频率振荡——即“二次谐波”频率。“我们可以准确检测到这种振荡，从而在皮秒内确定下层的磁化，”Kovalev总结道。
目前不仅在进行读取任务，还在使用太赫兹辐射进行磁性存储数据的写入。然而，团队认识到将这一基础研究成果转化为超快硬盘可能需要相当长的时间。这需要更紧凑的短太赫兹脉冲源以及高效的传感器来分析它们。尽管如此，超快USMR效应突显了在相对简单的材料系统中复杂机制的重要角色，这可能在未来超快磁性存储应用的发展中发挥重要作用。
