通过光束整形与缩小，工程师实现材料磁性光控切换
美国加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的工程师团队近日在《自然通讯》（Nature Communications）发表研究成果，展示了一种利用光而非外部磁场来切换材料磁性的新方法。这一突破有望推动数据存储技术向更快、更小及更节能的方向发展。
在传统硬盘驱动器及其他存储技术中，数字信息以微小的磁区域表示“1”和“0”。改变这些磁状态通常依赖外部磁场，但该过程能耗较高且限制了写入速度。研究人员指出，由于光具备极快的能量传递速度以及精确聚焦于微小区域的能力，采用光开关技术控制磁性比特，其速度理论上可比传统磁场方法快 1,000 倍以上。
缩小光束以提升存储密度
该研究的核心在于对超快激光束进行独特的形状设计与工程化处理，使其尺寸比以往方法中使用的光束小约十倍。通过这种经过专门设计的光束来控制材料中的磁化状态，可以在更小的区域内封装更多数据。
该研究的高级作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程系教授阿卜杜拉耶·恩达奥（Abdoulaye Ndao）表示：“光束的尺寸越小，光学内存就越小且越密集。”
突破薄层限制，实现厚膜光开关
此前的研究表明，光学开关仅能在由不超过三层磁层组成的极薄堆叠结构中实现，且必须使用特定类型的偏振光。过去实验发现，当材料厚度超过三层时，光学切换效应会被抑制，这限制了磁性材料的整体厚度及其长期记忆保留能力。
恩达奥团队通过塑造和缩小光线，成功克服了上述两项限制。他们在一种由九层交替组成的较厚磁性材料中展示了光学切换效果，并证实不再依赖光的偏振特性即可实现切换。
脉冲序列构建稳定开关机制
研究第一作者、恩达奥课题组学生穆罕默德·瓦利德·哈利德（Muhammad Waleed Khalid）解释道：“我们通过光学手段设计光线，以改变材料内部发生的微观和纳米级物理现象。”
关键技术在于将光束能量集中在微小区域，并施加多个超快激光脉冲。在这一极小尺度上，首个脉冲加热局部区域，随后的脉冲逐渐扩大切换范围，直至形成稳定的磁态。哈利德补充称，专用激光器允许对光束形状和大小进行光学设计，从而探索传统激光束无法触及的基础物理空间。
跨学科合作验证意外效应
由于观察到的效应新奇且不寻常，团队投入了大量精力重复实验以验证结果，排除偶然性因素。该项目融合了光学与磁性材料两个通常不重叠领域的专业知识。恩达奥的光学研究小组与薄膜磁性材料专家、加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程及化学与纳米工程教授埃里克·富勒顿（Eric Fullerton）合作。富勒顿同时也是该校记忆与记录研究中心的资助主席教授。这种合作模式使得研究人员能够从光学角度解决长期存在的磁性记忆难题。
值得注意的是，该研究并未设计新材料以实现光学切换，而是重新设计了光本身。
芯片集成仍面临挑战
尽管成果显著，但该技术距离商业化存储设备仍有距离。目前实验使用的是专门的超快激光器，难以直接集成到计算机芯片中。未来的潜在路径包括识别能产生类似效果的磁性材料，并使用更易纳入电子系统的激光源。
研究人员正致力于进一步缩小激光束尺寸至几百纳米级别，并探索能将光限制在更小空间内的光学结构，旨在利用专门设计的光控制越来越小的磁力单元。
论文信息：Muhammad Waleed Khalid et al., Beam shaping induces reconfigurable magnetic domains, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-77572-3
