光致磁变超高密度快速硬盘新原理与新技术研究

In order to break through the existing magnetic read / write framework of magnetic hard disk drives, the proposal presents an innovative way to take the advantages of both ultra-fast laser and surface plasmatic polaritons to realize all optical recording in nanometer scale. The highlighted features include the sophisticated designs of patterned metallic nanometer structures, from which the polarization specified light spot can be stimulated by the incidence of a beam of femto-second laser. The light spot heats the magnetic media first, greatly lowers down the media’s coercivity, and then writes the media with the equivalent magnetic field produced by inverse Faraday Effect, in pico-seconds. To get the nanometer light spot, an SPPs structure will be integrated to a floating slider, designed to keep the distance between the SPPs and the surface of the media in nanometers, to achieve the 10Tb/sqrin recording density. The research will provide novel principles and technologies for the next generation of ultra-high density hard disk drives, and lay down a solid foundation for mass storage devices for the explosive data growth in big data era.

本项目试图突破现有硬盘的磁写磁读技术框架，提出将超快激光与表面等离激元SPPs技术相结合，在纳米尺度实现光致磁变的全光写入的新思路。其基本特征是将飞秒激光通过特殊设计的图案化金属基纳米结构，在近场距离内形成高强度等离子振荡，从而产生偏振向可控制的纳米尺度二次光。该光束首先对磁性存储介质进行瞬态加热，降低其矫顽力，再通过偏振光与磁介质相互作用的反法拉第效应产生等效磁场，对磁性介质进行超快写入。通过浮动技术保持等离基元与磁记录介质表面的近场距离，从而保证10Tb/sqrin超记录密度的实现。本项目的研究将为下一代超高密度硬盘提供新原理与新技术，为存储设备适应大数据时代数据的爆炸性增长打下坚实的基础。

硬盘只有大幅度提高容量，才能应对固态盘的严峻挑战。现有技术路线提高容量十分有限，探索新的方法十分必要。本项目试图突破现有磁写磁读技术框架，探索用光致磁变新现象与超衍射极限超快激光技术相结合的途径来大幅度提高硬盘的容量与速度。.研究内容：建立新的理论来描述纳米尺度全光磁翻转的超快动力学过程，研制适合高密度全光记录的新材料、新工艺，开发超衍射极限的飞秒激光光源核心器件，构建实验平台完成全光记录实验。.重要结果：（1）提出了纳米尺度下超快激光与磁性材料相互作用的新理论。建立了描述原子级别磁翻转动力学过程的方程，通过全光磁翻转动态过程仿真，为深入理解微观超快动力学过程、指导记录材料和光学部件的参数选取提供了理论依据，将国际现有理论从微米尺度推向纳米尺度；（2）制备了一系列亚铁磁性TbCo/（Ta、Cr、Cu）薄膜和铁磁性FePt薄膜，经测试，在各向异性、矫顽力、纳米级颗粒直径（达到8nm)等方面均适于超高密度全光记录，提供了可用于超高密度全光记录的新材料和新工艺；（3）为突破光衍射极限，设计了强等离激元效应的纳米尖端新结构超表面器件。通过飞秒激光在其上产生强电磁振荡而在近场形成纳米尺度的二次光。633nm红色飞秒激光照射时，在超表面上形成半高宽为37nm的超衍射极限的近场光斑，半高宽为入射波长的1/20，使用覆盖写入技术，可以得到10nm左右的记录光斑位元，为超高密度记录提供了超衍射极限的光源核心器件；（4）在自研的全光磁翻转动态过程实验平台上完成了瞬态磁翻转动力学过程的实验研究，成功获得超越光学衍射极限的全光磁翻转动态图像和数据。.本研究为硬盘技术的发展提供了一条新的技术路线，在纳米级全光磁翻转机理方面提供了新的理论，具有科学价值；在关键记录介质、超衍射极限光斑的产生器件、全光写入系统等方面突破了核心技术，具有应用价值。整个研究目前还属于基础性阶段，但展现了提高硬盘容量的巨大潜力，为硬盘在未来大数据存储中继续发挥关键作用提供了可能性。