【毕业学位论文】（Word原稿）超快磁记录的发展历史和现状-光信息科学与技术

毕 业 论 文 超快磁记录的发展历史和现状 的研究 指导教师 徐初东 讲师 学院名称 理学院 专业名称 光信息科学与技术 论文提交日期 2010 年 4 月 论文答辩日期 年 月 答辩委员会主席 _ 评 阅 人 _ 摘 要 本文介绍了不同时代信息存储技术速度由慢到快的渐进发展与不断淘汰过程及现状 ,从磁带到磁盘光盘等技术的发展 ,以及未来短期内存储技术的发展方向 . 磁带存储是早期使用 最广泛的磁存储技术。由于磁带记录的可重放性、记录方式的灵活多样性及简单而廉价，使其作为辅助存储设备得到了广泛的应用。但磁带的结构使之只能顺序存取，所以磁带在应用上受到了限制 ,也不能满足日益发展起来的计算机技术的要求 ,为此 ,人们在 60代制造出了可以随机存取的磁盘存储器 特别是浮动磁头与垂直记录的出现 ,以磁头与盘面相对转动来存取的磁盘存取速度迅猛发展 ,发展达到了每十年增加十倍的速度 . 60 年代激光器出现后也促进了光盘存储飞速发展 D 到 光盘存储技术的一次重大飞跃，这个飞跃展 示了光盘存储技术的发展趋势。目前以 代表的光盘存储技术正在迅速发展，向着高存储密度、大容量、高数据传输率、可多次重写方向前进。与磁存储技术相比较，光存储技术存在 着数据传输速率偏低的缺点 取时间也在 20 但其低廉的成本与高容量使得光盘与磁盘发展各有其优点 ,而且 ,光盘存储还具有具大的发展潜力 . 70 年代末催生了一种结合光盘与磁盘存储技术的超快存储方式 它以激光照射在盘面存储介质上使其升温让材料的矫顽力急剧下降 ,在外磁场作用下存储单位中的磁畴方向 快速转向实现存储 还另外介绍了几种超快磁存储方式 :利用垂直磁场脉冲进行磁化进动翻转方式 ,自旋流注入磁化翻转 ,全光磁化翻转等 . 关键词 磁存储 光盘 存储 磁光存储 超快磁 自旋流 全光记录 英 文 缩 略 词 中央处理器 不回零反转格式 分响应最大相似 盘组件 光存储产品 小型数字唱片 只读光盘 视频压缩盘片 数字多功能光盘 磁光记录 和相变记录 误差检验与校正 稀土 过渡金属 目 录 1 前言 . 1 引言 . 1 存储技术发展 . 1 2 传统信息存储方式 . 3 磁带存储技术 . 3 磁 盘存储技术 目前主流的磁存储技术 . 4 磁盘存储器的组成 . 5 磁盘控制器 . 6 硬磁盘系统 . 6 垂直磁记录 当前最主要的磁记录方式 . 8 光存储技术 . 12 光盘的类型 . 13 光存储技术特点 . 14 光盘存储器的工作原理 . 15 3 超快磁记录 未来发展的大趋势 . 17 激光热辅助稀土过渡金属记录技术 . 18 磁光效应 . 18 磁光存储写入原理 . 19 读出原理 . 22 磁光记录介质 . 23 在外加磁场的作用下实现磁化翻转 . 24 自旋流作用实现磁化翻转 . 25 全光磁化翻转 . 28 4 结语 . 28 致 谢 . 30 参 考 文 献 . 31 . 32 1 1 前言 引言 现代社会的特征之一 ,就是信息的快速流动 ,并为 每个普通人所分享 . 这种信息的普及 ,是建立在发达的信息工业的基础上的 . 庞大的信息工业 ,可以分为信息的处理 (、信息的存储、信息的传输 (通信、网络 ) 、信息的输入输出 (打印机、屏幕 ) 这四个部分 ,每个部分的硬件相对独立 ,但是为了使一个系统运转 ,需要这几个部分组合起来 . 电子化的信息存储 ,使得信息的快速复制、检索、大量保存、快速处理成为可能 . 信息存储系统的三个主要评价指标分别是存取速度 (、单位价格 (、存储容量 (,这正体现了现代人对信息的基本需求 . 信息存储可以有三种主要的实现方式 :具有最高存取速度的半导体存储 (计算机内存、 ) ,价格低廉、携带方便的光存储 (光盘、 ) ,以及具有最佳综合性能的磁存储 (包括声音记录、图像记录、数据记录三种 ) . 这三种信息存储方式各有自己的适用范围 ,互相不可替代 . 利用磁通变化和磁化电流进行读写的磁记录技术发展起来后，磁带和磁盘存储器得到广泛应用。由于特别适宜于和计算机联用，存储信息极为方便、可靠，因而成为计算机的主要外存储器，并且形成巨大的产业。近年来，磁存储 技术仍然发展迅速，差不多每 5 年增加 10 倍。 2007 年的诺贝尔物理学奖就是授予两位与高密度磁存储技术有关两位物理学家的所谓 “巨磁阻效应 ”的发现工作。 存储技术发展 1898 年 ,丹麦电信工程师 造出了第一台可以记录声音的钢丝电话留言机 以来 ,一直到 20 世纪 60 年代磁信息存储在声音记录与图像记录方面取得了巨大的成功 并对社会生活引起巨大的变革 . 早期的电子计算机 ,每一个新的应用程序 ,都需要重新设计硬件与之配合 . 1950 年以后 ,出的程序数字计算机的概念改变了计算机的基本结构 ,计算机包括一个简单而强大的处理器、一个程序和数据的存储区、一个控制器、一个输入输出设备共四个部分 . 计算机变得更容易使用了 ,硬件和软件变得相对独立 ,同时对数据存储提出了很高的要求 . 1 在 20 世纪 40 年代 ,美国的数据都是用打孔机记录在数据纸上的 . 实际上在中国 ,这种技术到五六十年代进行 “两弹一星 ”项目的时候还在使用 1948 年 ,美国军方在德国的 音机技术的基础上 ,研发了磁鼓数据记录系统 ( ,进行2 比较快速的数据存储 . 在 40 年代 ,国际商用机器公司 ( 一直在做打孔式纸带的计算器 ,并有广泛的客户 . 到了 40 年代后期 , 始认识到磁存储的重要性 ,购买了由司制造的美国第一台数据磁带机 统 . 1951 年 , 础上开发出 720 磁带机 ,其中使用了类似于德国 醋酸纤维素 - 铁氧体颗粒磁带作为数据记录媒体 ,另外 ,一个特殊设计的数据格式为不回零反转格式 (to 缩写为 ,磁头中的电流在 +1和 其中每次反转对应为二进制数 1 ,否则为 0)提高了数据存储密度 . 这台磁带机的数据传输速率为 7500s ,比打孔的纸带机快 ,但是仍然跟不上计算机需要的数据速率 . 虽然如此 ,磁带数据存储还是由此成为了计算机的外存之一 . 1957 年 ,出了革命性的随机存取计算和控制方法 (of 50 计算机硬盘 . 硬盘的基底是 1厚的铝合金圆盘 ,表面用 - 形颗粒混在油漆中 ,用旋转涂覆 ( 方法制备磁记录层 . 硬盘的机械结构与鼓形数据磁带机类似 ,新设计了一个喷气旋转轴承和磁头 - 磁盘之间的空气间隙 (,磁头在硬盘上的飞行速度很快 ,实现了 2数据记录面密度 ,同时存取速度得到了很大的提高 . 20 世纪 70 年代末出现了光盘存储技术。它的存储容量比磁盘高 l2 个数量级，使用力命长，信息可保存 10 年以 上，系统可靠 ,光头与 记录介质不接触 擦重写的光盘材料已经出现，读写速度和查找数据速度正在改进，但低于磁盘。 在 1985 年和 1991 年 ,别在数据磁带系统和计算机硬盘系统中使用了磁阻磁头 . 使用了磁阻磁头以后 ,1991 年的 盘 ,存储面密度达到了 90总存储容量达到了 11986 年 ,金属多层薄膜 r/巨磁阻效应被德国物理学家 发现 ,同时受到科学界和工业界的重视 . 到了 1996 年 ,在计算机硬盘中 ,巨磁阻多层 膜代替了一般的磁阻薄膜 ,大幅度提高了感应磁场信号的灵敏度 ,使得巨磁阻磁头(成为了读磁头 ,数据记录面密度由此超过了 1 到 1997 年 ,计算机硬盘的密度达到了 2. 640 年之内 ,面密度大约每两年翻一番 ,一共增长了一千多万倍 ,而到 2003 年 计算机硬盘在实验室中的存储密度已经超过了100磁盘的存取时间达到了 4据速率 也 提高到 400到 500Mb/ 在计算机硬盘 40 多年的发展历史中 ,有几项技术起了关键性的作用 ,其中包 括薄膜写磁头、磁阻和巨磁阻读磁头 ,高矫顽力的薄膜硬盘 ,以及部分响应最大相似 ( 信号处理系统 ,其中多项技术与凝聚态物理和材料科学的发展有很大的关系 . 2 传统信息存储方式 磁带存储技术 磁带存储是早期使用最广泛的 磁 存储技术。由于磁带记录的可重放性、记录方式的灵活多样性及简单而廉价，使其作为辅助存储设备得到了广 泛的应用。目前 ,存储速度与密度更高的磁盘在基本上 取代了磁带的地位 绍一下 . 磁带可按使用场合、装带方式、带宽尺寸、功能、磁性材料、用途等进行分类。按用途可以分录音磁带、录像磁带、计测 (仪器 )磁带、计算机磁带等。本节着重介绍计算机磁带，其他磁带的存储原理和方式与计算机磁带相似。 磁带主要是由磁性材料、带基、粘结剂及各种添加剂等三部分组成。作为磁记录媒体与磁记录直接有关的是磁性材料；但是粘结剂和带基以及将这三部分构成整体的技术对于充分发挥磁性材料所具有的磁性能具有很大的作用 . 讨算机磁带记录是通过磁带机 (又称走带机构 )来完成的，它实际上是数据记录仪。磁带以 个固定的速度通过 磁头时才能进行读写。当磁带从静止计始启动时，它不能立即加速到这个速度，必须花费一定的时间并通过 段磁带后才能达到，这使得数据块之间的间隔必须具有一定的长度。标准间隔块的长度为 密度磁带的间隔块长度可小于 主要特点是在计算机控制下具有瞬时起动、停止、反转的能力。计算机能在很短的时间内请求磁带机运行，然后停机等待计算机的请求或继续传送数据。当数据块读出后磁带即停止运行，当它重新起动时又必须在下一个数据块开始就达到正常的线速度，否则就要产生读出错误。因此，磁 带加速和减速运行的长度必须小于间隔块长度。 图 1 是典型的真空缓冲高速磁带机的示意图。磁带机除了接收大量数据的存储外，还必须尽可能快地提供所需要的信息，这就要求驱动器有很高且均匀的速度。此外，在磁带启动和停止走动时，应尽可能地缩短启一停时间，以提高数据传递速度，增加存储容量。带盘 (供带盘和卷带盘 )相对于 段磁带来说质量较重，若直接驱动带盘，不仅速度慢， 且在突然加速和减速的情况下会扯坏磁带。使用低压真空室后，在突然加速和减速时 (磁带启一停时 )，低压室起到一个磁带缓冲器的作用，它减缓了卷绕部件对磁带的作用 . 4 图 1 高速真空缓冲磁带机示意图 123456,137891011121415 磁盘存储技术 目前主流的磁存储技术 磁带存储的突出优点是比其他存储方法便宜，而 且 由于数据载体可以更换所以存储容量可以随意扩充。但磁带的结构使之只能顺序存取，所以磁带在应用上受到了限制。 与此相反，磁盘不仅可以顺序存取数据，而且还能直接随机存取所需数据，存取时间比磁带更短，也可随意更换裁体，扩充容量 . 目前 ,磁存储技术已经非常成熟 ,继磁带存储之后 ,已成为 20世纪 90年代到现在最主要的、使用最广泛的存储技术 . 随着计算机的发明和应用 ,不仅要存储数据而且还要根据要求随时选取特定地址上存储的信息。这种随机存取的工作方式是要求按指令去选择特定地址，进行记录和重放，而不是像磁带那样只能按照前后次序来确定地址。这种要求只有磁盘的记录方式才能满足。 1955 年，美国国际商用机器公司 (出了世界上第一台磁盘存储器，使磁记录设备成为计算机的重要外存设备。 20 世纪 6070 年代以来，人们对原有的磁记录装置进行了大量的理论及实验研究，5 使各类磁记录装置的整机性能都有了大幅度的提高。 1962年 头。1973 年 司前首先推 出温彻斯特 (盘系统。同 时，双面倍密度 8 英寸 (1磁盘、 寸 小型盘相继 问世，薄膜磁头实现商品化 ，日本的岩崎俊 一提出了一 种高密度记录方式 垂自磁记录，引起了人们极大的兴趣。 20 世纪 80 年代开始，磁存储密度与速度的发展达到了每十年增加十倍的速度。出现了 寸软磁盘和垂直记 录软盘机。进入 20 世纪 90 年代后磁存储密度更以每十年增加百倍的发展速度迅猛增加 头材料和结构以及伺服定位、磁头盘界面等方面都有重大突破，使磁盘每个记录单元 (比特 )下，盘径己小于 2 英寸 .2 磁盘存储器的组成 磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘片组成。主机 (过磁盘控制器与 磁盘驱动器相接 不直接控制磁盘操作 ,而是以命令的形式发送给磁盘控制器 ,由磁盘控制器产生若干控制信号送给磁盘驱动器 由磁盘驱动器将磁盘控 制器送来的信号转换成驱动盘的各种电气和机械的动作 ,驱动磁盘完成 令所要求的操作 磁盘驱动器还将磁盘的现行状态传送给磁盘控制器 ,作为 磁盘控制器正确控制磁盘操作的条件 . 按照盘片的不同 ,磁盘驱动器有软磁盘驱动器和硬磁盘驱动器之分 . 软盘驱动器与硬盘驱动器都是外存储器 ,它们的基本结构大体相同 完成读写数据的放大和处理电路 ;为指定位置执行存取操作的驱动机构及控制电路等 . 磁盘驱动器的功能结构主要由读写系统 ,磁头定位系统和主轴驱动系统组成 . (1)读写系统 片和读 写电路构成 ,其基本功能是将控制器送来的一串编码的脉冲序列经过写电路由磁头转换成介质磁层磁化翻转记录在盘片上 ;也可将版画片上记录的磁化状态经过磁头、读电路检读出数据和时钟混合脉冲送到数据分高电路 ,最后还原成为数据序列 软磁盘驱动器一般装有 1磁头 ,硬盘驱动器磁头数目多数在两只以上 . (2)磁头定位系统 行机构、控制电路和检测部件等组成 ,其基本功能是将磁头迅速、准确地定位于磁道中心位置 . 磁头驱动电机主要采用步进电机和音圈电机 、磁头移动支架等构件组成 使磁头在盘片上作径向运动 驱动器中的检测部件有检测磁头移动速度的速度检测器和检测碰头移动位置的位置检测器 . 上述这些控制环节加上控制电路构成完整的定位系统。快速定位系统的工作过程一般分为速度控制和位置控制两个阶段首先以最快速度使磁头由现行磁道移动到目标磁道。在磁头移动过程中，利用速度检测器反馈回来的速度信号 ,定位系统不断修正磁头移动速度 ,这是速度控制过程 据反馈回来的位置信号，将磁头定位于磁道中心 这是位置控制过程。 (3)主轴驱动系统 轴部件和稳速系统组成。其基本功能是以恒定的转速驱动盘片旋转，使磁头拥对磁道有个稳定的切向速度进行正确地读写数据。 磁盘控制器 作为主机和磁盘驱动器之间接口设备的磁盘控制器有多种类型 ,与驱动器相连的界面也有多种标准接口 ,但其基本组成和工作原理大体相同，大都包括以下几个部分： (1)与计算机系统总线相连的控制逻辑电路主要由寄存器、缓冲器、锁存器和地址译码器以及中断逻辑组成 . (2)控制器的核心器件 一微处理器。 (3)完成读出数据分离及写 入数据预补偿的读写数据解码和编码电路。 (4)对数据进行循环冗余校验码校验以及对出错数据进行修正的数据检错及纠错电路。 (5)根据主机发来的命令，对数据传送、串并转换及格式化等进行逻辑控制的电路。 (6)存放磁盘基本输入输出程序的 于数据交换的缓冲区 硬磁盘系统 软盘携带万便，但存储容量小，同时，读写速度也慢。为解决上述问题，微机一般都装有硬盘。 硬磁盘系统由硬磁盘 (组 )、磁头 (组件 )、驱动机构和软件等构成。它是驱动磁盘、定位磁头和按指令通过磁头进行数据存取的磁盘存储器。磁头分 为固定磁头和浮动磁头 . 固定磁头磁盘机记录的每条磁迹对应着一个固定磁头 (图 2)。磁盘旋转时，由固定磁头进行读或写。 浮动磁头被固定在能向磁盘圆心方向伸缩的磁头臂上。磁头借助磁盘旋转时形成的气流而 “飘浮 ”于磁盘表面。当磁盘高速旋转 (数千转每分至上万转每分 )时 ,磁头离开磁层表面约几微米 (即飘浮高度 ),进行非接触式记录 (图 3). 7 图 2 固定磁头磁盘记录 硬磁盘的存取速度比软磁盘快，其存储容量与磁迹密度、线密度以及浮动高度密切相关。目前大容量磁盘存储器的磁迹密度为 2436 条 /密度可达 470b/头浮动高度为 ，记录密度随磁头浮动高度的减小而线性增加，变化范围为仍601998 年，硬磁盘容量已达 均搜寻时间为 9硬磁盘存储器发展很快，种类繁多，且结构差异很大，但其基本组成相似。目前使用最普遍的是温彻斯持 (盘，简称温盘。温盘技术由美国 司于 1973年首先推出，这是一种高可靠性、大容量磁盘技术，其基本特征是： (1)采用全封闭结构。温盘驱动器的磁头和盘片是作为 个整体被密封在盘腔内，称为头盘组件 (典型的温盘存储器基本结构如图 4 所示。 件、摇臂或小车、步进电机、位置传感器、以及读写预放大器 (件 )等采用全封闭结构。封闭室内有超净化过滤，自循环系统散热等措施使室内保持 100 级洁净度和自动冷却。由于 件装在头盘腔中，放大器离磁头很近，避免了高频信号干扰，提高了读出信号的信噪比。 (2)采用体积小、重量轻、负荷小的新磁头 (温盘磁头重仅 5g)，磁层表面有氟碳润滑层，使磁头按接触起停方式在低浮动高度下 (品中 第二种情形为外加磁场 过渡金属整体的矫顽场 从常温到激光加热到温度大于 但到了样品的热量扩散冷却过程中 ,样品中 而又由于 能把 这一种磁化翻转过程所需要的时间已经达到了亚皮秒的数量级 .1314 因此，研 究激光加热铁磁系统时的磁化动力学过程，测量激光感应超快退磁及其磁 化恢复时间，对于探索光辅助磁记录中的光 磁相互作用机制，促进记录介质的改进和优化具有现实意义。 22 图 15 稀土 过渡金属热辅助磁化翻转过程 读出原理 磁光记录信息的读出是利用磁光克尔效应进行的 . 对于一个已写入信息的 磁光介质来说 ,介质中磁畴的磁化方向有正反两种情况 6,一束激光照射在介质表面的某一位23 置时 ,如该处对应的磁畴为正向磁化 ,则反射光的克尔转角为 + K ;如该处对应的磁畴为反 图 16 读出原理 向磁化 ,则反射光的克尔转角为 - K. 因此 ,若偏振光分析器的轴向放置恰好与垂直于记录介质的平面成 K 夹角 ,则在介质上反向磁化处的反射光将不能通过偏振光分析器 ,而在介质上正向磁 化处 ,反射光可以通过偏振光分析器 ,这就证明偏振面转过了 2 K 角度 在通过介质表面反射的反射光光路上放一探测器 ,就可以方便地检测出反射处是正向磁化还是反向磁化 ,即读出了 “0”和 “1”. 如果磁光介质安装在一个可旋转的圆盘上 ,就成为磁光盘 . 磁光盘可以象目前计算机上普遍采用的磁盘一样旋转 ,进行数据的存取工作 . 磁光存储系统如图 17 所示 ,高功率半导体激光器发出调制激光束 ,半导体激光器的特征椭圆光轮廓经光学系统准直并变圆 ,以便能明锐地聚焦到磁光盘上 偏振分光器 反射光转向 ,同时减少对激光器的反馈 读取数据 一旦存在偏差 ,即产生误差讯号 ,反馈到伺服电机 ,以纠正偏差 .1516 磁光记录介质 自从本世纪 50 年代末有人提出磁光记录原理以来 ,人们一直在关注着它的发展 . 60 年代 ,不少人研究过 料 ,由于热稳定性差和制备困难 ,后来被放弃了 . 整个 70 年代 ,人们把努力方向主要瞄准在对各种材料性能的了解和试验上 . 到了 80 年代 ,由于电子设计、光学驱 动器技术的发展 ,生产设备的更新 ,使磁光记录材料有了较大突破 . 这主要是指非晶态稀土 这种材料有较好的磁各向异性 ,其薄膜介质既适合居里点24 写入又适合补偿点写入 . 稀土过渡金属（ 金是一类出色的磁光记录材料，一般采用 材通过溅射沉积而成，因此可以方便的控制组分，调节介质的磁性能，从而容易获得高矫顽力、高垂直磁各向异性，同时兼具良好磁光和温度特性的优异介质。 料主要分为两大类：一类是铁基，如 三元合金 ；另一类是钴基，如 三元合金 。 目前，可用于光辅助磁记录的 储材料主要是在重稀土 过渡族（ 金的基础上进行改进。 非晶垂直磁化膜具有良好的光辅助擦写特性，室温下具有很高的 激光照射下 迅速下降。由于磁光记录采用的是磁光克尔效应读出，因此饱和磁化强度 低不影响其读出；而作为磁光混合记录介质，由于采用头读出， 低则信号较弱，将对磁头的灵敏度提出更高要求。现有报道用双层介质膜进行改进，采用富 为读出层，富 为写入层，或 双层结构介质均可获得较好的记录性能。 重稀土元素铽（ 过渡族金属铁（ 钴（ 成的非晶态 膜是磁光记录领域的主流介质。非晶态的优点在于其组分可以连续变化，不像晶态结构会出现特定的相，易于获得均匀的合金系，因此可在较大范围内调节介质的磁性能参数，如饱和磁化强度（ 补偿温度（ 矫顽力（ ；另一方面，非晶态材料因无晶界噪声，容易产生垂直磁化各向异性 有较大的克尔转角 k。 于有较强的 的 近于 1 的矩形比，适中的居里温度 优异性能而被广泛关注。 磁光信息存储 ,要求磁光介质具有下列性能 :1)足够大的磁光效应 ;2)材料均匀 ,表面噪声低 ;3)垂直各向异性 ;4)矫顽力大 ,以便有尽量大的存储密度及抗外界磁场影响 ;5)居里温度在 400600K 之间 ,以保证记录功率适中 ;6)磁畴长期稳定 ;7)溅射温度低 ,速率高 . 具有 分的非晶稀土过渡金属是能满足上述要求的最佳磁光材料 . 5 在外加磁场的作用下实现磁化翻转 实现磁化翻转的传统方法是外加反向磁场 ,如图 18 . 利用外加反向磁场实现的磁化反 转根据信息位的写入原理还可分为直接磁化反转、进动磁化反转和热助磁化反转三种形式。直接磁化反转，利用高频的写入电流脉冲，依靠记录磁头产生的高频磁场可以直 接反转磁性材料记录位的信息，由于磁畴晶核的形成和壁移、转动等磁化过程的限制，这种磁化反转过程速度相对较慢，发生在 级。同时，当进一步提高直接磁化反转的记录速率，会碰到一个严重并且不可避免的铁磁共振问题，即数据读写速率在接近或超过读写25 磁头的本征铁磁共振频率极限时（ 1 3磁化反转过程不能继续进行。 图 17 磁光存 储系统 运用进动 ,外加一个与磁畴原始方向相互垂直的磁场进行进动 ,磁畴的磁化方向可以很容易就翻转半个进动过程 ,如图 19 速度上快 1 到 2 个数量级以及消耗较少的能量就能实现磁化翻转的磁化进动开关或者弹道开关前景非常广阔 运用这种方法把磁畴 M 的方向转换回来时不用反复的改变垂直脉冲磁场的方向 ,而是再简单地调整下开关脉冲就可以了 ,控制进动开关因素的只有垂直脉冲磁场的磁场强度跟脉冲持续时间 在几百皮秒的时间内产生一个时间足够短且强度足够强的磁场脉冲相当困难 ,在一般情况下，产生脉冲磁场 可以通过电器线圈，肖特基二极管或通过光纤交换机（所谓的奥斯顿开关），它可以产生相对较短脉冲 而 且 在 时间尺度上 这种方法 要快两个数量级，将来有可能发展到亚皮秒尺度。 例如最近被证明可行的涡核超快磁开关可达到 40是目前能达到的进动开关速度的 5 倍 ! 自旋流作用实现磁化翻转 80 年前 ,英国天才理论物理学家狄拉克将新生的量子力学和爱因斯坦的相对论结合 , 26 图 18 反向磁场实现磁化翻转 图 19 垂直磁场进行磁化进动 建立了相对论量子力学 ,成功地解释了电 子为什么会具有一种特别的磁性或角动量 ,即自旋 27 (1)电子除了质量和电荷外 ,还有一个内禀角动量 ,叫自旋 ; (2)每个电子自旋都有任意的两个方向 h (就形成我们熟知的铁磁体 ; (3)在磁场中 ,电子自旋平行或反平行于磁场时 ,电子具有不同的能量 ; (4)定向运动的电子形成电流 电子自旋的指向是无规的 ,没有自旋的性质 ; (5)定向相干运动的电子自旋形成自旋流 自旋流是传输和控制 自旋的载体和动力 . 利用小范围的强电子相互作用的自旋极化为操纵磁存储系统在纳秒数量级提供了一种全新的方法 0,在这里，包含不同自旋方向的电子流注入并通过不同薄层组成的圆柱面内 ,铁磁 极化 层有着固定的磁化方向相当于偏振片 (当注入的电子流通过这 图 20 注入自旋流实现磁化翻转 一层后变成自旋极化电流 自旋极化电流进入自由层并对这第二个铁磁层产生一个扭 矩 另外 ,极化 层(自由层 (磁方面是相互独立的 ,而且两层之前由一层无磁性材料隔离开 电子自旋流先进入自由层 ,在将到达偏振层时由于自旋流方向与极化层磁矩相反而不能通过极化层并 被 极化 层反射回来 而 产生一个自旋积累 ,这些积累起来的自旋流子与传输过来的传输自旋流子方向相反地 扩散 回到自由层28 并把自由层的磁化方向翻转回到原来的状态 .1718 在理论上 ,这种技术的翻转速度只取决于注入电流脉冲的幅度与时间 ,因为偏振自旋流脉冲的角动量是直接传输到样品磁矩上的 ,避免了自旋晶格弛豫瓶颈 这种翻转在实践 中被证明在几百皮秒数量级 . 全光磁化翻转 全光翻转这技术只是运用圆偏振光来实现铁磁材料的磁化翻转 ,如图 相应光子的不同角动量状态会改变磁化方向 唯一的不同是圆偏振光的角动量代替了电子自旋流的角动量 . 图 21 运用圆偏振光实现磁化翻转 实验证明 ,运用比较有代表性的材料 ,一个 40 飞秒的圆偏振激光脉冲就可以很好地实 现磁化翻转 的影响 1920 4 结语 社会的需求是技术发展的动力 容量发展到高速、高容量 从纸带到磁带 ,然后再到光盘与磁盘 ,存储技术的每一次改革无不伴随着存储速度与容量的质的飞跃 外加垂直脉冲磁场进动实现超快翻转记录可29 达到 40右的翻转时间 ,比一般的存储速度快 5 倍 级 但这项技术离实用化还有一段比较长的道路要走 特别是用激光热辅助稀土 过渡金属跨越补偿点实现磁化翻转 ,存储速度可以达到亚皮秒的 数量级 不难预见 ,未来二十年信息存储将是磁光存储的世界 . 目前超快速信息存储领域正出现百家争鸣的状态 除了 文中提到的 比较接近实用的磁光存储技术以外 ,还有光子存储、全息光存储、近场光存储等 未 来也可能同时存在多种超快存储技术 . 30 致 谢 本论文是在 徐初东老师 的精心指导和帮助下完成的， 感谢徐老师在论文的选定过程中对我的信任 在初期 ,徐老师表达出的对我的信任以及乐此不倦地给我讲解各