Demonstration of on-chip all-optical switching of magnetization in integrated photonics
本文展示了氮化硅光子集成电路中首次实现的确定性、单脉冲全光学磁化翻转，在亚微米级 Co/Gd 霍尔交叉结构中实现了高达 90% 的开关对比度，并强调了器件尺寸缩放对于稳健、全集成自旋电子-光子平台的关键作用。
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在存储和处理世界爆炸式增长的数据的竞赛中，科学家们正将目光投向一个被称为“自旋电子学”（spintronics）的领域。该领域利用电子微小的磁自旋而非仅仅是其电荷来携带信息。这种方法有望实现比目前计算机内部硅芯片更快、更耐用且更节能的存储器。然而，一个主要的瓶颈长期以来一直阻碍着这项技术的发展：即我们翻转这些磁位的方式。传统上，这种翻转需要电流，而这一过程会产生热量，并由于电子的摆动方式而触及速度极限。随着人们发现单次极短的光闪烁几乎可以瞬间翻转磁体的方向（这种现象被称为全光学切换），一种更具前景的替代方案出现了。虽然这种方法已在利用自由激光的大型、笨重实验室装置中得到证实，但在现实设备所需的微型集成电路中却一直难以实现。挑战在于如何引导这些超快的光脉冲穿过微型芯片，并将它们精确地传递到磁层，而不损失其能量或控制开关的能力。
一组研究人员现在填补了这一空白，首次证明了单次光脉冲可以在芯片内部完全切换磁体的方向。研究团队利用一种由氮化硅（一种常用于电信领域的材料）构建的平台，创建了一个光在微型波导中传输的电路。他们在该波导正上方放置了一个由钴和��й制成的、形状如十字形的微小磁性结构。当他们向芯片内发射一串飞秒激光脉冲——这种闪烁极短，仅持续一千万亿分之一秒——时，光通过波导传输并与磁性十字形结构发生相互作用。结果是，每当脉冲到达时，磁状态都会发生一次干净、可靠的翻转。通过测量磁性十字形结构产生的电压，研究人员确认了磁体在两个稳定方向之间进行了切换，具有近乎完美的可靠性，在他们测试的最小型器件中实现了高达百分之九十的对比度。
然而，成功在很大程度上取决于磁性十字形的大小。当研究人员测试一个臂宽为500纳米的器件时，切换是确定性的，这意味着每次脉冲都会按照预期准确发生。但当他们转向一个宽度约为1微米的较大十字形时，行为发生了变化。切换变得不再可靠，经常无法翻转整个磁体，或者卡在中间状态。通过详细的计算机模拟，团队将这一问题追溯到了光吸收的方式。在较大的器件中，光分布不均；相反，它在十字形的领先边缘被吸收得更强，导致后缘能量不足以完成切换。这种不均匀的加热造成了一种情况，即只有部分磁体发生了翻转，导致产生了一个混乱、不可预测的状态。
为了理解为什么较大的器件表现得如此不同，团队观察了光脉冲击中磁体后发生了什么。他们发现，当能量刚好足以切换磁体时，已翻转部分与未翻转部分之间的边界（称为畴壁）可能会卡在器件的尖角处。在较小的500纳米器件中，磁体非常紧凑，以至于在发生任何此类卡顿之前，整个区域就已经完成了干净的翻转。在较大的器件中，畴壁会被困住，系统便会在不确定状态下徘徊，有时翻转，有时不翻转，取决于微小的热波动。研究人员建议，如果将这些器件进一步缩小到这些磁性边界的宽度以下，卡顿的问题将会完全消失，从而为稳健的集成存储器铺平道路。
这项工作标志着将光的速度与磁性材料的存储密度相结合迈出了关键一步。通过证明光可以引导通过芯片来切换磁体，研究人员已将全光学切换从大型光学实验台的范畴带入了实际、可扩展的电子领域。虽然目前的实验使用了每秒一次脉冲的慢重复频率以仔细观察效应，但潜在的物理机制表明，这些开关的操作速度可以快上数千倍。研究结果还指明了一条清晰的前进路径：随着器件尺寸的缩小，在较大原型中看到的混沌行为将会消失，留下一种干净、高效的写入机制。这种光子学与自旋电子学的整合，为能够以空前速度和极低能耗处理信息的下一代计算机奠定了基础，终于使超快、光驱动存储器的承诺离现实更近了一步。
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