Ultraszybki fotomagnetyczny zapis informacji na nośnikach magnetycznych

Mgr Krzysztof Szerenos i dr hab. Andrzej Stupakiewicz – Naukowcy Zakładu Fizyki Magnetyków z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku opracowali nowatorską metodę ultraszybkiego zapisu informacji. Dzięki temu, że pozwala ona na najszybszy, dotychczas znany proces zapisu i odczytu informacji, może on w najbliższym czasie zrewolucjonizować technologie pamięci magnetycznych.

Czas zapisu, który posiadać będzie nowy proces mieścić się będzie w zakresie 20 pikosekund. Wartość czasowa pikosekundy zawiera się w… bilionowej części sekundy. Jednocześnie temu rekordowo niskiemu tempie zapisu towarzyszą niespotykane dotychczas, minimalne straty energii, związane z wytwarzaniem ciepła podczas zapisu. W trakcie całego procesu temperatura nośnika wzrasta tylko i wyłącznie o jeden stopień Celsjusza. Nowa metoda zapisu jest więc nie tylko ultraszybka, ale również bardzo oszczędna. Dzięki temu daje podstawy do opracowania nowej technologii tzw. zimnego ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego.

O wartości odkrycia białostockich naukowców, którzy w trakcie realizacji projektu współpracowali z zespołem holenderskiego Uniwersytetu z Radboud University w Nijmegen, świadczy fakt publikacji w prestiżowym, naukowym czasopiśmie „Nature”. Publikacja „Ultrafast nonthermal photo-magnetic recording in a transparent medium” jest pierwszym artykułem pracowników Uniwersytetu w Białymstoku w międzynarodowym czasopiśmie o tak wysokim prestiżu w świecie nauki.

Superszybko i super-efektywnie
Jak podkreśla uczelnia w komunikacie, dotyczącym sukcesu swoich pracowników: znalezienie nowych mechanizmów zapisu i przetwarzania informacji, które łączyłyby ze sobą szybkość procesu z jednoczesną wysoką efektywnością energetyczną to jedno z fundamentalnych wyzwań dla współczesnej fizyki, łączącej obszary optyki i magnetyzmu. Podstawą nowej metody jest ultraszybki zapis fotomagnetyczny w przezroczystej warstwie dielektrycznego granatu, przy wykorzystaniu wyłącznie pojedynczego impulsu laserowego, którego źródłem jest laser femtosekundowy. Zmiana polaryzacji liniowej impulsu pozwala przełączyć magnetyzację, zapisując stan ‘0’ lub ‘1’ w sposób powtarzalny i odwracalny.

Mechanizm odpowiedzialny za przełączenie – o czym informuje Narodowe Centrum Nauki, które wsparło przełomowe badania białostockich naukowców w ramach programu OPUS 5 – pozwala na najszybszy znany dotychczas proces zapisu i odczytu informacji. Jest to efekt wyboru przez mgr Krzysztofa Szerenos i dr hab. Andrzeja Stupakiewicza koncepcji przełączenia wyłącznie optycznego, wykorzystując femtosekundowe impulsy laserowe. Dotychczas stosowane pole magnetyczne lub prąd elektryczny nie posiadają tego typu, unikatowych możliwości. Jednocześnie wynik ultraszybkiego przyłączenia magnetyzacji osiągnięto dzięki zastosowaniu do zapisu cienkiej warstwy granatu itrowo-żelazowego domieszkowanego jonami kobaltu, będącego ferrimagnetycznym dielektrykiem.

Odkrycie nowej technologii nie zakończy procesu prac naukowców w obszarze wykorzystania wyjątkowych właściwości granatów ferrimagnetycznych. Obecnie fizycy z Uniwersytetu w Białymstoku zamierzają kontynuować swoje badania w obszarze nowych układów magnetoplazmonicznych. Jednocześnie starają się o unijny grant na kontynuację swoich badań. Jest tak z tego względu, że – jak informuje Polska Agencja Prasowa – planują oni w ciągu pięciu najbliższych lat zbudować prototyp systemu, który wykorzystywać będzie technologię zimnego, ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego. Jeżeli to przedsięwzięcie się powiedzie, nowe urządzenia, produkowane na masową skalę, pojawić się mogą na rynku w ciągu dziesięciu lat.

Zbędne chłodzenie
Z tej perspektywy podstawowego znaczenia nabiera fakt, w jaki sposób wykorzystać można pracę badawczą mgr Krzysztofa Szerenosa i dr hab. Andrzeja Stupakiewicza? Z tego względu, że zaproponowana przez nich metoda umożliwia najszybszy obecnie w skali światowej proces zapisu i odczytu informacji – odpowiedź na to pytanie wydaje się być oczywista.
Rewolucyjny w swojej skali czas zapisu jest tysiąc razy krótszy niż ten stosowany w najbardziej nowoczesnych pamięciach RAM. Jak stwierdził w rozmowie z PAP mgr Krzysztofa Szerenos: „– Dzięki naszemu rozwiązaniu bliską przyszłością może być komputer, który nie tylko będzie działał szybciej, ale i będzie zużywał mniej energii dzięki wydajniejszej pamięci. I tak np. dzięki zastosowaniu naszej technologii, grafiki 3D, których teraz renderowanie trwa kilkadziesiąt minut, wygenerowałby się w kilka sekund. A laptop wytrzymałby bez ładowania dłużej.”

Bardzo istotną kwestią, dotyczącą białostockiej technologii jest jej energooszczędność. Tym bardziej, że w trakcie procesu zapisu, temperatura wzrasta co najwyżej o jeden stopień Celsjusza, a system działa w temperaturze pokojowej. Dzięki temu… jego chłodzenie stanie się zbędne. Fakt ten będzie miał wpływ na rozwiązanie wielu problemów, które związane są ze żuciem energii przez systemy pamięci. I to nie tylko w mikroskali potencjalnych Kowalskich i ich laptopów, ale również w skali globalnej i gigantycznych centrów danych, z którymi mamy do czynienia współcześnie.
Nietrudno sobie wyobrazić, jak technologia zimnego, ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego wpłynie nie tylko na liczoną w miliardach dolarów oszczędność zmniejszenia zużycia energii, ale również na ochronę środowiska wynikającą z tego faktu. Tym bardziej, że już w tej chwili centra magazynowania i przetwarzania danych wykorzystują 5% wytwarzanej globalnie energii elektrycznej, a liczba ta w najbliższych latach będzie w dalszym ciągu wzrastać.

Podlaska Marka
Stworzenie nowej, supernowoczesnej technologii przez białostockich naukowców nie może specjalnie dziwić. Jest tak z tego względu, że uczelnia od 30 lat prowadzi badania warstw o strukturze granatu, prowadzone pod kierunkiem prof. Andrzeja Maziewskiego, kierownika Zakładu Fizyki Magnetyków. Tym bardziej, że stosowana jest w nich bardzo nowoczesna aparatura, której zakup finansowany był poprzez fundusze projektu SPINLAB, a także inwestycji aparaturowych finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Interesującym z tej perspektywy jest przede wszystkim projekt SPINLAB, którego celem jest utworzenie Krajowego Centrum Nanostruktur Magnetycznych do Zastosowań w Elektronice Spinowej, a także wyposażenie tworzących go jednostek naukowych w sprzęt niezbędny do prowadzenia wspólnych badań na światowym poziomie. W skład konsorcjum realizującego projekt wchodzą: Instytut Fizyki Molekularnej PAN (koordynator), Instytut Fizyki PAN, Instytut Katalizy i Fizykochemii PAN, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza oraz. Uniwersytet w Białymstoku.

Obecnie w najbardziej znanej uczelni w województwie podlaskim kształci się prawie 14 tysięcy studentów na ponad 30 kierunkach. Strukturę uniwersytetu tworzy dziewięć wydziałów, w tym zagraniczny w Wilnie. Studenci kierunków matematyczno-przyrodniczych uczą się w nowym kampusie, uznawanym za jeden z najnowocześniejszych obiektów akademickich w kraju, który został wyróżniony tytułem Podlaskiej Marki Roku 2014.

O tym, że Wydział Fizyki stara się być na bieżąco ze światowymi trendami w tej dziedzinie świadczy fakt zapraszania najbardziej znanych naukowców. Wśród gości Uniwersytetu w tylko w grudniu byli m.in. prof. Teruo Ono z Kyoto University w Japonii (wygłosił referat, którego tematem było „Spinowa dynamika w niejednorodnie namagnesowanych systemach”), a także prof. Vitalii Zablotskii z Department of Optical and Biophysical Systems, Institute of Physics AS CR, Prague („Los żywych komórek w polu magnetycznym o dużym gradiencie”). Również dzięki takim inicjatywom uczelnia może cały czas podnosić swój prestiż.