Gwałtownie wzrastają zasoby cyfrowych danych generowanych przez naszą cywilizację. Są one magazynowane oraz przetwarzane przez duże centra IT. Tendencja ta wymaga opracowania nowych technologii pamięci komputerowych, polegających nie tyle na zwiększeniu ich gęstości, z czym jak na razie jest całkiem dobrze, ile na zwiększeniu szybkości i zmniejszeniu energii w trakcie zapisu.

Odkrycie naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku, dr. hab. Andrzeja Stupakiewicza, prof. UwB i dr. Krzysztofa Szerenosa, z pewnością może być milowym krokiem na drodze do osiągnięcia tego celu. Zaproponowali oni nową metodę ultraszybkiego zapisu informacji, która może zrewolucjonizować technologie pamięci magnetycznych. Przełomowe badania zostały wykonane i opracowane głównie w Białymstoku, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Nijmegen (Holandia), zaś wyniki ukazały się w styczniowym wydaniu prestiżowego czasopisma „Nature”.

– Nasze odkrycie nie było nieoczekiwanym przypadkiem, tylko konsekwencją kilkuletnich poszukiwań oraz zaplanowanego procesu. Najpierw stawialiśmy różne hipotezy fizyczne oparte na własnych pomysłach. Potem uzyskaliśmy na badania grant z Narodowego Centrum Nauki. Ważnym atutem była też współpraca z zespołem z Uniwersytetu w Nijmegen, światowym liderem w dziedzinie badań z wykorzystaniem ultraszybkich impulsów światła. Rozpisaliśmy plan działania punkt po punkcie – wspomina Andrzej Stupakiewicz.

Przełączenie optyczne wygrywa

W dostępnych na rynku pamięciach bit informacji jest zapisywany za pomocą pola magnetycznego bądź prądu elektrycznego. Zwiększenie gęstości zapisu prowadzi do nagrzewania nośnika i wytworzenia niepotrzebnego ciepła, które trzeba skutecznie odprowadzać. Jak wiadomo, metody te mają fizyczne ograniczenia co do szybkości. Metoda opisana w „Nature” pozwala na najszybszy znany dotychczas proces zapisu i odczytu informacji, w czasie około 20 pikosekund (pikosekunda to bilionowa część sekundy) przy wykorzystaniu wyłącznie pojedynczego impulsu laserowego.

– Tak krótka skala czasowa jest nieosiągalna przy wykorzystaniu pola magnetycznego bądź prądu elektrycznego, stąd wybraliśmy koncepcję przełączenia wyłącznie optycznego, wykorzystując ultrakrótkie impulsy laserowe” – dodaje Krzysztof Szerenos.

Czas zapisu w tej metodzie jest praktycznie 1000 razy krótszy niż w najszybszych obecnie pamięciach typu RAM. Temperatura nośnika w trakcie zapisu wzrasta zaledwie o 1 stopień Celsjusza. Jak oceniają autorzy nowej metody, pozwoli to rozwiązać wiele problemów związanych z odprowadzaniem ciepła i zużyciem energii przez systemy pamięci. Przy zapisie 1 bitu informacji system zużywałby niewiele energii, nawet miliard razy mniej niż obecne dyski komputerowe. Już teraz można więc stwierdzić, że nowa metoda bije nie tylko rekordy szybkości, ale też wydajności, dając nadzieje na opracowanie nowej technologii tzw. zimnego, ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego.

Kluczem do sukcesu okazało się wykorzystanie cienkiej warstwy materiału nieprzewodzącego – granatu itrowo-żelazowego domieszkowanego jonami kobaltu. Zmiana polaryzacji liniowej impulsu laserowego pozwala przełączyć magnetyzację w takim materiale, zapisując stan ‘0’ lub ‘1’ w sposób powtarzalny i odwracalny. Warstwa granatu wygląda jak kawałek cienkiego szkła i jest tania w produkcji. Wniosek patentowy na metodę modyfikacji grubości warstw o strukturze granatu naukowcy złożyli już trzy lata temu.

– Jony kobaltu w tym granacie są odpowiedzialne za silne sprzężenie momentu magnetycznego elektronu z momentem pędu jego ruchu orbitalnego, tzw. sprężenie spinowo-orbitalne. Światło liniowo spolaryzowane może skutecznie zmieniać ruch orbitalny elektronów w jonach, tym samym zmieniając kierunek momentu magnetycznego – wyjaśnia Andrzej Stupakiewicz. – Zjawiskiem odpowiedzialnym za te zmiany jest tzw. efekt fotomagnetyczny. Jego obecność już w temperaturze pokojowej po raz pierwszy zaobserwowaliśmy w warstwach granatów w końcówce XX wieku.

Przełomowe momenty

Warto podkreślić, że badania warstw o strukturze granatu zostały zapoczątkowane w Białymstoku przez prof. Andrzeja Maziewskiego, kierownika Zakładu Fizyki Magnetyków, a następnie sukcesywnie rozwijane również przez jego współpracowników. Zespół z Białegostoku ma duże doświadczenie zarówno badawcze, jak i we współpracy międzynarodowej. Intensywne badania prowadzone w latach 90. przez naukowców z Zakładu Fizyki Magnetyków, profesorów Ryszarda Gieniusza, Marka Kisielewskiego, Andrzeja Stankiewicza, Marię Tekielak oraz Andrzeja Stupakiewicza, pozwoliły skumulować bagaż obszernej wiedzy na temat podstawowych właściwości tych materiałów. Młody doktor Krzysztof Szerenos, absolwent Wydziału Fizyki UwB, z powodzeniem to wykorzystał, przygotowując kulminacyjną pracę doktorską poświęconą nowej metodzie.

– Były w ciągu tych kilku lat pracy nad nową metodą dwa momenty, które możemy nazwać przełomowymi – przyznaje Krzysztof Szerenos. – Pierwszy, kiedy odkryliśmy, że magnetyzacja przełącza się: zobaczyliśmy pierwsze obrazki w mikroskopie i zdaliśmy sobie sprawę, że to się może udać. To było w sierpniu 2015 roku. A w lutym 2016 drugi raz: kiedy stwierdziliśmy, że magnetyzacja przełącza się rekordowo szybko, zdobyliśmy na to dowód i wyobraziliśmy sobie, jaki to może mieć potencjał.

W tej chwili białostoccy fizycy starają się o fundusze krajowe i europejskie, które pozwoliłyby opracować zarówno nowatorską technologię, jak również zbudować prototyp urządzenia do zapisu i odczytu informacji. Niestety ta droga jest zawiła i, jak się okazuje, także prowadzi przez biurka urzędników. Niemniej jednak naukowcy nie tracą optymizmu. Obecnie przygotowują wniosek patentowy oraz poszukują partnerów przemysłowych. Jak oceniają, jeśli zgłoszą się firmy, które będą chciały zainwestować, to przy dobrych wiatrach, w ciągu około dziesięciu lat nowa technologia będzie wprowadzona na rynek.

Odkrycie przyniosło fizykom z UwB spory rozgłos międzynarodowy. O ich wynikach bardzo pozytywnie napisała prestiżowa „Ars Technica”, która zrzesza ekspertów w świecie nowinek technologicznych oraz z branży IT. Łącznie, jak próbują ocenić fizycy, blisko sto serwisów medialnych z całego świata opublikowało informacje na temat odkrycia polsko-holenderskiego zespołu.

– Po prostu dołożyliśmy swoją cegiełkę i to wyprodukowaną w Białymstoku – mówi Andrzej Stupakiewicz. – Idziemy dalej, już w tym roku uzyskaliśmy nowe wyniki, które sugerują, że nowa metoda pozwoli osiągnąć gęstość zapisu, która będzie porównywalna lub nawet wyższa niż w obecnych terabajtowych dyskach magnetycznych.

Nowy kampus i aparatura

Fizycy przyznają, że prace ruszyły znacznie szybciej, odkąd przeprowadzili się do nowego kampusu Uniwersytetu w Białymstoku przy ul. Ciołkowskiego. Nie mniej istotne do prowadzenia badań było zastosowanie nowoczesnej aparatury, zakupionej w ramach funduszy SPINLAB oraz inwestycji aparaturowych finansowanych przez MNiSW. Także rozwój magnetooptycznych metod eksperymentalnych umożliwił odkrycie w tego typu materiałach nieznanych wcześniej zjawisk, w tym między innymi tej nowej metody.

– Te warunki, kapitał wiedzy wraz z oryginalnym pomysłem i chętni do zdobywania wiedzy doktoranci, to prosta formuła naszego odkrycia – podsumowuje Andrzej Stupakiewicz.