导读
近日，德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心与波茨坦大学研究了一个包含纳米级超薄的金属层与磁性层的模型系统中的热输运。类似的系统有望成为未来的高效数据存储设备。
背景
如今，人类正处于一个信息大爆炸的年代，需要存储的信息量急速增长。这也对存储器件提出了更高的要求：体积越来越小、容量越来越大。换句话说，也就是要求存储密度越来越高。然而，存储密度越高，每个记录位（磁颗粒）的体积就越小，抵抗热扰动维持磁化取向的能力就越弱。
磁性材料的磁性会根据温度的提高而改变，在低于临界点温度（临界点温度：物理学中称为“居里点”）时，磁材料可视为一个固定极性的铁磁体，此时材料自身的磁场很难被改变；而当温度高于临界点时，该材料将变成“顺磁体(paramagnetic)”，磁体本身的磁性很容易随周围磁场的改变而改变。如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性，这种现象被就是所谓的“超顺磁效应”。“超顺磁效应”会导致磁记录设备上的数据丢失。
从磁性材料的特性方面着手，寻找更为稳定的磁介质（如铁铂粒子），可以在一定程度上解决超顺磁效应的问题。不过，随之而来的问题是：现有的磁头无法将数据写到这类介质上。
然而，希捷公司正在研究一种热辅助磁记录技术(HeatAssistedMagneticRecording，HAMR)，使用激光热辅助手段将数据记录到高稳定性介质上，而且随后的快速冷却又可以使已写入的数据变得稳定。从理论上来讲，希捷的HAMR技术可以实现每平方英寸10Tb的存储密度。
（图片来源：维基百科）
创新
近日，德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）与波茨坦大学（UniversityofPotsdam）研究了一个包含纳米级超薄的金属层与磁性层的模型系统中的热输运。类似的系统有望成为未来的高效数据存储设备，这种设备可用激光脉冲（热辅助磁记录）来进行局部加热并重写。采用极短X光脉冲的测量显示，热量的散发比在模型系统中所期望的要慢倍。研究成果在国际知名学术期刊《自然通信（NatureCommunications）》上发表。
相关实验在波茨坦大学展开，样本由雷根斯堡大学的合作伙伴们提供，此外位于法国南锡市的洛林大学与位于美国剑桥市的麻省理工学院也参与了这项研究。
技术
金属的导热性通常都非常好。局部的热量几乎马上就会通过金属中的自由电子散发掉。相比而言，不含自由电子的隔热材料传导热量就要慢得多，而它们的热量传导仅仅取决于晶格振动。波茨坦大学教授MatiasBargheer在HZB领导着一个有关超快动力学的联合研究小组，他领导的团队严密地检测了金属-磁性模型系统中的热输运。
该模型系统由位于氧化镁基底上的纳米级超薄的铁磁性镍层（12.4纳米），以及沉积在镍上的更薄的金层（5.6纳米）组成。物理学家们采用一束超短的激光脉冲（50飞秒），为模型系统引入了局部热量，然后通过极短的X光脉冲（飞秒），判断热量随着时间的推移是如何在两个纳米层中散发的。第一个发现是：模型系统并不是像期望的那样，花费约一皮秒的时间达到热平衡，而是花费了比期望的长倍的时间。
（图片来源：HZB/波茨坦大学）（图片来源：波茨坦大学）
正如Bargheer所报告的，测量序列准确地揭示了发生的状况：“尽管激光首先照射到金层，但是金层的晶格却保持冷却的状态。近90%的能量被转移到镍电子，并且就在那时引入到了镍晶格中。”
由于镍中的电子系统与镍晶格振动产生的耦合，比在金中的更加强烈，镍晶格吸收来自镍电子的热量更快，镍电子开始冷却。然而，由于从更热但导热性较差的镍晶格直接传输到更冷的金晶格的热量非常低，所以热量找到了另外一条途径，从更热的镍晶格传输到更冷的金晶格。为了达到热平衡，热量通过镍电子从镍晶格中流回到金电子中，从而激发了金晶格的振动。
价值
Bargheer表示：“通过这种实验配置，我们已经能够展示，在时域中进行这种输运过程的分析是非常有价值的。因此，我们非常高兴，我们不久将能在更加强大的BESSYIIX光源上开展这种实验，BESSYIIX光源将升级至BESSY-VSR，同时提供非常短且非常强的X光脉冲。”
未来，基于这种“热辅助磁记录技术”（HAMR）的数据存储可以通过激光脉冲局部加热与重写。通过更深入地理解热输运过程，这种系统有望以一种新方式来开发，在这种方式中，它们可以通过最小的输入能量来处理。
关键字
热、存储技术、纳米、激光、晶格
参考资料
