【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）超快磁記錄的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀-光信息科學與技術(shù)

畢 業(yè) 論 文 超快磁記錄的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 的研究 指導教師 徐初東 講師 學院名稱 理學院 專業(yè)名稱 光信息科學與技術(shù) 論文提交日期 2010 年 4 月 論文答辯日期 年 月 答辯委員會主席 _ 評 閱 人 _ 摘 要 本文介紹了不同時代信息存儲技術(shù)速度由慢到快的漸進發(fā)展與不斷淘汰過程及現(xiàn)狀 ,從磁帶到磁盤光盤等技術(shù)的發(fā)展 ,以及未來短期內(nèi)存儲技術(shù)的發(fā)展方向 . 磁帶存儲是早期使用 最廣泛的磁存儲技術(shù)。由于磁帶記錄的可重放性、記錄方式的靈活多樣性及簡單而廉價，使其作為輔助存儲設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。但磁帶的結(jié)構(gòu)使之只能順序存取，所以磁帶在應(yīng)用上受到了限制 ,也不能滿足日益發(fā)展起來的計算機技術(shù)的要求 ,為此 ,人們在 60代制造出了可以隨機存取的磁盤存儲器 特別是浮動磁頭與垂直記錄的出現(xiàn) ,以磁頭與盤面相對轉(zhuǎn)動來存取的磁盤存取速度迅猛發(fā)展 ,發(fā)展達到了每十年增加十倍的速度 . 60 年代激光器出現(xiàn)后也促進了光盤存儲飛速發(fā)展 D 到 光盤存儲技術(shù)的一次重大飛躍，這個飛躍展 示了光盤存儲技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前以 代表的光盤存儲技術(shù)正在迅速發(fā)展，向著高存儲密度、大容量、高數(shù)據(jù)傳輸率、可多次重寫方向前進。與磁存儲技術(shù)相比較，光存儲技術(shù)存在 著數(shù)據(jù)傳輸速率偏低的缺點 取時間也在 20 但其低廉的成本與高容量使得光盤與磁盤發(fā)展各有其優(yōu)點 ,而且 ,光盤存儲還具有具大的發(fā)展?jié)摿?. 70 年代末催生了一種結(jié)合光盤與磁盤存儲技術(shù)的超快存儲方式 它以激光照射在盤面存儲介質(zhì)上使其升溫讓材料的矯頑力急劇下降 ,在外磁場作用下存儲單位中的磁疇方向 快速轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)存儲 還另外介紹了幾種超快磁存儲方式 :利用垂直磁場脈沖進行磁化進動翻轉(zhuǎn)方式 ,自旋流注入磁化翻轉(zhuǎn) ,全光磁化翻轉(zhuǎn)等 . 關(guān)鍵詞 磁存儲 光盤 存儲 磁光存儲 超快磁 自旋流 全光記錄 英 文 縮 略 詞 中央處理器 不回零反轉(zhuǎn)格式 分響應(yīng)最大相似 盤組件 光存儲產(chǎn)品 小型數(shù)字唱片 只讀光盤 視頻壓縮盤片 數(shù)字多功能光盤 磁光記錄 和相變記錄 誤差檢驗與校正 稀土 過渡金屬 目 錄 1 前言 . 1 引言 . 1 存儲技術(shù)發(fā)展 . 1 2 傳統(tǒng)信息存儲方式 . 3 磁帶存儲技術(shù) . 3 磁 盤存儲技術(shù) 目前主流的磁存儲技術(shù) . 4 磁盤存儲器的組成 . 5 磁盤控制器 . 6 硬磁盤系統(tǒng) . 6 垂直磁記錄 當前最主要的磁記錄方式 . 8 光存儲技術(shù) . 12 光盤的類型 . 13 光存儲技術(shù)特點 . 14 光盤存儲器的工作原理 . 15 3 超快磁記錄 未來發(fā)展的大趨勢 . 17 激光熱輔助稀土過渡金屬記錄技術(shù) . 18 磁光效應(yīng) . 18 磁光存儲寫入原理 . 19 讀出原理 . 22 磁光記錄介質(zhì) . 23 在外加磁場的作用下實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) . 24 自旋流作用實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) . 25 全光磁化翻轉(zhuǎn) . 28 4 結(jié)語 . 28 致 謝 . 30 參 考 文 獻 . 31 . 32 1 1 前言 引言 現(xiàn)代社會的特征之一 ,就是信息的快速流動 ,并為 每個普通人所分享 . 這種信息的普及 ,是建立在發(fā)達的信息工業(yè)的基礎(chǔ)上的 . 龐大的信息工業(yè) ,可以分為信息的處理 (、信息的存儲、信息的傳輸 (通信、網(wǎng)絡(luò) ) 、信息的輸入輸出 (打印機、屏幕 ) 這四個部分 ,每個部分的硬件相對獨立 ,但是為了使一個系統(tǒng)運轉(zhuǎn) ,需要這幾個部分組合起來 . 電子化的信息存儲 ,使得信息的快速復制、檢索、大量保存、快速處理成為可能 . 信息存儲系統(tǒng)的三個主要評價指標分別是存取速度 (、單位價格 (、存儲容量 (,這正體現(xiàn)了現(xiàn)代人對信息的基本需求 . 信息存儲可以有三種主要的實現(xiàn)方式 :具有最高存取速度的半導體存儲 (計算機內(nèi)存、 ) ,價格低廉、攜帶方便的光存儲 (光盤、 ) ,以及具有最佳綜合性能的磁存儲 (包括聲音記錄、圖像記錄、數(shù)據(jù)記錄三種 ) . 這三種信息存儲方式各有自己的適用范圍 ,互相不可替代 . 利用磁通變化和磁化電流進行讀寫的磁記錄技術(shù)發(fā)展起來后，磁帶和磁盤存儲器得到廣泛應(yīng)用。由于特別適宜于和計算機聯(lián)用，存儲信息極為方便、可靠，因而成為計算機的主要外存儲器，并且形成巨大的產(chǎn)業(yè)。近年來，磁存儲 技術(shù)仍然發(fā)展迅速，差不多每 5 年增加 10 倍。 2007 年的諾貝爾物理學獎就是授予兩位與高密度磁存儲技術(shù)有關(guān)兩位物理學家的所謂 “巨磁阻效應(yīng) ”的發(fā)現(xiàn)工作。 存儲技術(shù)發(fā)展 1898 年 ,丹麥電信工程師 造出了第一臺可以記錄聲音的鋼絲電話留言機 以來 ,一直到 20 世紀 60 年代磁信息存儲在聲音記錄與圖像記錄方面取得了巨大的成功 并對社會生活引起巨大的變革 . 早期的電子計算機 ,每一個新的應(yīng)用程序 ,都需要重新設(shè)計硬件與之配合 . 1950 年以后 ,出的程序數(shù)字計算機的概念改變了計算機的基本結(jié)構(gòu) ,計算機包括一個簡單而強大的處理器、一個程序和數(shù)據(jù)的存儲區(qū)、一個控制器、一個輸入輸出設(shè)備共四個部分 . 計算機變得更容易使用了 ,硬件和軟件變得相對獨立 ,同時對數(shù)據(jù)存儲提出了很高的要求 . 1 在 20 世紀 40 年代 ,美國的數(shù)據(jù)都是用打孔機記錄在數(shù)據(jù)紙上的 . 實際上在中國 ,這種技術(shù)到五六十年代進行 “兩彈一星 ”項目的時候還在使用 1948 年 ,美國軍方在德國的 音機技術(shù)的基礎(chǔ)上 ,研發(fā)了磁鼓數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) ( ,進行2 比較快速的數(shù)據(jù)存儲 . 在 40 年代 ,國際商用機器公司 ( 一直在做打孔式紙帶的計算器 ,并有廣泛的客戶 . 到了 40 年代后期 , 始認識到磁存儲的重要性 ,購買了由司制造的美國第一臺數(shù)據(jù)磁帶機 統(tǒng) . 1951 年 , 礎(chǔ)上開發(fā)出 720 磁帶機 ,其中使用了類似于德國 醋酸纖維素 - 鐵氧體顆粒磁帶作為數(shù)據(jù)記錄媒體 ,另外 ,一個特殊設(shè)計的數(shù)據(jù)格式為不回零反轉(zhuǎn)格式 (to 縮寫為 ,磁頭中的電流在 +1和 其中每次反轉(zhuǎn)對應(yīng)為二進制數(shù) 1 ,否則為 0)提高了數(shù)據(jù)存儲密度 . 這臺磁帶機的數(shù)據(jù)傳輸速率為 7500s ,比打孔的紙帶機快 ,但是仍然跟不上計算機需要的數(shù)據(jù)速率 . 雖然如此 ,磁帶數(shù)據(jù)存儲還是由此成為了計算機的外存之一 . 1957 年 ,出了革命性的隨機存取計算和控制方法 (of 50 計算機硬盤 . 硬盤的基底是 1厚的鋁合金圓盤 ,表面用 - 形顆粒混在油漆中 ,用旋轉(zhuǎn)涂覆 ( 方法制備磁記錄層 . 硬盤的機械結(jié)構(gòu)與鼓形數(shù)據(jù)磁帶機類似 ,新設(shè)計了一個噴氣旋轉(zhuǎn)軸承和磁頭 - 磁盤之間的空氣間隙 (,磁頭在硬盤上的飛行速度很快 ,實現(xiàn)了 2數(shù)據(jù)記錄面密度 ,同時存取速度得到了很大的提高 . 20 世紀 70 年代末出現(xiàn)了光盤存儲技術(shù)。它的存儲容量比磁盤高 l2 個數(shù)量級，使用力命長，信息可保存 10 年以 上，系統(tǒng)可靠 ,光頭與 記錄介質(zhì)不接觸 擦重寫的光盤材料已經(jīng)出現(xiàn)，讀寫速度和查找數(shù)據(jù)速度正在改進，但低于磁盤。 在 1985 年和 1991 年 ,別在數(shù)據(jù)磁帶系統(tǒng)和計算機硬盤系統(tǒng)中使用了磁阻磁頭 . 使用了磁阻磁頭以后 ,1991 年的 盤 ,存儲面密度達到了 90總存儲容量達到了 11986 年 ,金屬多層薄膜 r/巨磁阻效應(yīng)被德國物理學家 發(fā)現(xiàn) ,同時受到科學界和工業(yè)界的重視 . 到了 1996 年 ,在計算機硬盤中 ,巨磁阻多層 膜代替了一般的磁阻薄膜 ,大幅度提高了感應(yīng)磁場信號的靈敏度 ,使得巨磁阻磁頭(成為了讀磁頭 ,數(shù)據(jù)記錄面密度由此超過了 1 到 1997 年 ,計算機硬盤的密度達到了 2. 640 年之內(nèi) ,面密度大約每兩年翻一番 ,一共增長了一千多萬倍 ,而到 2003 年 計算機硬盤在實驗室中的存儲密度已經(jīng)超過了100磁盤的存取時間達到了 4據(jù)速率 也 提高到 400到 500Mb/ 在計算機硬盤 40 多年的發(fā)展歷史中 ,有幾項技術(shù)起了關(guān)鍵性的作用 ,其中包 括薄膜寫磁頭、磁阻和巨磁阻讀磁頭 ,高矯頑力的薄膜硬盤 ,以及部分響應(yīng)最大相似 ( 信號處理系統(tǒng) ,其中多項技術(shù)與凝聚態(tài)物理和材料科學的發(fā)展有很大的關(guān)系 . 2 傳統(tǒng)信息存儲方式 磁帶存儲技術(shù) 磁帶存儲是早期使用最廣泛的 磁 存儲技術(shù)。由于磁帶記錄的可重放性、記錄方式的靈活多樣性及簡單而廉價，使其作為輔助存儲設(shè)備得到了廣 泛的應(yīng)用。目前 ,存儲速度與密度更高的磁盤在基本上 取代了磁帶的地位 紹一下 . 磁帶可按使用場合、裝帶方式、帶寬尺寸、功能、磁性材料、用途等進行分類。按用途可以分錄音磁帶、錄像磁帶、計測 (儀器 )磁帶、計算機磁帶等。本節(jié)著重介紹計算機磁帶，其他磁帶的存儲原理和方式與計算機磁帶相似。 磁帶主要是由磁性材料、帶基、粘結(jié)劑及各種添加劑等三部分組成。作為磁記錄媒體與磁記錄直接有關(guān)的是磁性材料；但是粘結(jié)劑和帶基以及將這三部分構(gòu)成整體的技術(shù)對于充分發(fā)揮磁性材料所具有的磁性能具有很大的作用 . 討算機磁帶記錄是通過磁帶機 (又稱走帶機構(gòu) )來完成的，它實際上是數(shù)據(jù)記錄儀。磁帶以 個固定的速度通過 磁頭時才能進行讀寫。當磁帶從靜止計始啟動時，它不能立即加速到這個速度，必須花費一定的時間并通過 段磁帶后才能達到，這使得數(shù)據(jù)塊之間的間隔必須具有一定的長度。標準間隔塊的長度為 密度磁帶的間隔塊長度可小于 主要特點是在計算機控制下具有瞬時起動、停止、反轉(zhuǎn)的能力。計算機能在很短的時間內(nèi)請求磁帶機運行，然后停機等待計算機的請求或繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)塊讀出后磁帶即停止運行，當它重新起動時又必須在下一個數(shù)據(jù)塊開始就達到正常的線速度，否則就要產(chǎn)生讀出錯誤。因此，磁 帶加速和減速運行的長度必須小于間隔塊長度。 圖 1 是典型的真空緩沖高速磁帶機的示意圖。磁帶機除了接收大量數(shù)據(jù)的存儲外，還必須盡可能快地提供所需要的信息，這就要求驅(qū)動器有很高且均勻的速度。此外，在磁帶啟動和停止走動時，應(yīng)盡可能地縮短啟一停時間，以提高數(shù)據(jù)傳遞速度，增加存儲容量。帶盤 (供帶盤和卷帶盤 )相對于 段磁帶來說質(zhì)量較重，若直接驅(qū)動帶盤，不僅速度慢， 且在突然加速和減速的情況下會扯壞磁帶。使用低壓真空室后，在突然加速和減速時 (磁帶啟一停時 )，低壓室起到一個磁帶緩沖器的作用，它減緩了卷繞部件對磁帶的作用 . 4 圖 1 高速真空緩沖磁帶機示意圖 123456,137891011121415 磁盤存儲技術(shù) 目前主流的磁存儲技術(shù) 磁帶存儲的突出優(yōu)點是比其他存儲方法便宜，而 且 由于數(shù)據(jù)載體可以更換所以存儲容量可以隨意擴充。但磁帶的結(jié)構(gòu)使之只能順序存取，所以磁帶在應(yīng)用上受到了限制。 與此相反，磁盤不僅可以順序存取數(shù)據(jù)，而且還能直接隨機存取所需數(shù)據(jù)，存取時間比磁帶更短，也可隨意更換裁體，擴充容量 . 目前 ,磁存儲技術(shù)已經(jīng)非常成熟 ,繼磁帶存儲之后 ,已成為 20世紀 90年代到現(xiàn)在最主要的、使用最廣泛的存儲技術(shù) . 隨著計算機的發(fā)明和應(yīng)用 ,不僅要存儲數(shù)據(jù)而且還要根據(jù)要求隨時選取特定地址上存儲的信息。這種隨機存取的工作方式是要求按指令去選擇特定地址，進行記錄和重放，而不是像磁帶那樣只能按照前后次序來確定地址。這種要求只有磁盤的記錄方式才能滿足。 1955 年，美國國際商用機器公司 (出了世界上第一臺磁盤存儲器，使磁記錄設(shè)備成為計算機的重要外存設(shè)備。 20 世紀 6070 年代以來，人們對原有的磁記錄裝置進行了大量的理論及實驗研究，5 使各類磁記錄裝置的整機性能都有了大幅度的提高。 1962年 頭。1973 年 司前首先推 出溫徹斯特 (盤系統(tǒng)。同 時，雙面倍密度 8 英寸 (1磁盤、 寸 小型盤相繼 問世，薄膜磁頭實現(xiàn)商品化 ，日本的巖崎俊 一提出了一 種高密度記錄方式 垂自磁記錄，引起了人們極大的興趣。 20 世紀 80 年代開始，磁存儲密度與速度的發(fā)展達到了每十年增加十倍的速度。出現(xiàn)了 寸軟磁盤和垂直記 錄軟盤機。進入 20 世紀 90 年代后磁存儲密度更以每十年增加百倍的發(fā)展速度迅猛增加 頭材料和結(jié)構(gòu)以及伺服定位、磁頭盤界面等方面都有重大突破，使磁盤每個記錄單元 (比特 )下，盤徑己小于 2 英寸 .2 磁盤存儲器的組成 磁盤存儲器由磁盤驅(qū)動器、磁盤控制器和磁盤片組成。主機 (過磁盤控制器與 磁盤驅(qū)動器相接 不直接控制磁盤操作 ,而是以命令的形式發(fā)送給磁盤控制器 ,由磁盤控制器產(chǎn)生若干控制信號送給磁盤驅(qū)動器 由磁盤驅(qū)動器將磁盤控 制器送來的信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動盤的各種電氣和機械的動作 ,驅(qū)動磁盤完成 令所要求的操作 磁盤驅(qū)動器還將磁盤的現(xiàn)行狀態(tài)傳送給磁盤控制器 ,作為 磁盤控制器正確控制磁盤操作的條件 . 按照盤片的不同 ,磁盤驅(qū)動器有軟磁盤驅(qū)動器和硬磁盤驅(qū)動器之分 . 軟盤驅(qū)動器與硬盤驅(qū)動器都是外存儲器 ,它們的基本結(jié)構(gòu)大體相同 完成讀寫數(shù)據(jù)的放大和處理電路 ;為指定位置執(zhí)行存取操作的驅(qū)動機構(gòu)及控制電路等 . 磁盤驅(qū)動器的功能結(jié)構(gòu)主要由讀寫系統(tǒng) ,磁頭定位系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)組成 . (1)讀寫系統(tǒng) 片和讀 寫電路構(gòu)成 ,其基本功能是將控制器送來的一串編碼的脈沖序列經(jīng)過寫電路由磁頭轉(zhuǎn)換成介質(zhì)磁層磁化翻轉(zhuǎn)記錄在盤片上 ;也可將版畫片上記錄的磁化狀態(tài)經(jīng)過磁頭、讀電路檢讀出數(shù)據(jù)和時鐘混合脈沖送到數(shù)據(jù)分高電路 ,最后還原成為數(shù)據(jù)序列 軟磁盤驅(qū)動器一般裝有 1磁頭 ,硬盤驅(qū)動器磁頭數(shù)目多數(shù)在兩只以上 . (2)磁頭定位系統(tǒng) 行機構(gòu)、控制電路和檢測部件等組成 ,其基本功能是將磁頭迅速、準確地定位于磁道中心位置 . 磁頭驅(qū)動電機主要采用步進電機和音圈電機 、磁頭移動支架等構(gòu)件組成 使磁頭在盤片上作徑向運動 驅(qū)動器中的檢測部件有檢測磁頭移動速度的速度檢測器和檢測碰頭移動位置的位置檢測器 . 上述這些控制環(huán)節(jié)加上控制電路構(gòu)成完整的定位系統(tǒng)?？焖俣ㄎ幌到y(tǒng)的工作過程一般分為速度控制和位置控制兩個階段首先以最快速度使磁頭由現(xiàn)行磁道移動到目標磁道。在磁頭移動過程中，利用速度檢測器反饋回來的速度信號 ,定位系統(tǒng)不斷修正磁頭移動速度 ,這是速度控制過程 據(jù)反饋回來的位置信號，將磁頭定位于磁道中心 這是位置控制過程。 (3)主軸驅(qū)動系統(tǒng) 軸部件和穩(wěn)速系統(tǒng)組成。其基本功能是以恒定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動盤片旋轉(zhuǎn)，使磁頭擁對磁道有個穩(wěn)定的切向速度進行正確地讀寫數(shù)據(jù)。 磁盤控制器 作為主機和磁盤驅(qū)動器之間接口設(shè)備的磁盤控制器有多種類型 ,與驅(qū)動器相連的界面也有多種標準接口 ,但其基本組成和工作原理大體相同，大都包括以下幾個部分： (1)與計算機系統(tǒng)總線相連的控制邏輯電路主要由寄存器、緩沖器、鎖存器和地址譯碼器以及中斷邏輯組成 . (2)控制器的核心器件 一微處理器。 (3)完成讀出數(shù)據(jù)分離及寫 入數(shù)據(jù)預補償?shù)淖x寫數(shù)據(jù)解碼和編碼電路。 (4)對數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗碼校驗以及對出錯數(shù)據(jù)進行修正的數(shù)據(jù)檢錯及糾錯電路。 (5)根據(jù)主機發(fā)來的命令，對數(shù)據(jù)傳送、串并轉(zhuǎn)換及格式化等進行邏輯控制的電路。 (6)存放磁盤基本輸入輸出程序的 于數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū) 硬磁盤系統(tǒng) 軟盤攜帶萬便，但存儲容量小，同時，讀寫速度也慢。為解決上述問題，微機一般都裝有硬盤。 硬磁盤系統(tǒng)由硬磁盤 (組 )、磁頭 (組件 )、驅(qū)動機構(gòu)和軟件等構(gòu)成。它是驅(qū)動磁盤、定位磁頭和按指令通過磁頭進行數(shù)據(jù)存取的磁盤存儲器。磁頭分 為固定磁頭和浮動磁頭 . 固定磁頭磁盤機記錄的每條磁跡對應(yīng)著一個固定磁頭 (圖 2)。磁盤旋轉(zhuǎn)時，由固定磁頭進行讀或?qū)憽?浮動磁頭被固定在能向磁盤圓心方向伸縮的磁頭臂上。磁頭借助磁盤旋轉(zhuǎn)時形成的氣流而 “飄浮 ”于磁盤表面。當磁盤高速旋轉(zhuǎn) (數(shù)千轉(zhuǎn)每分至上萬轉(zhuǎn)每分 )時 ,磁頭離開磁層表面約幾微米 (即飄浮高度 ),進行非接觸式記錄 (圖 3). 7 圖 2 固定磁頭磁盤記錄 硬磁盤的存取速度比軟磁盤快，其存儲容量與磁跡密度、線密度以及浮動高度密切相關(guān)。目前大容量磁盤存儲器的磁跡密度為 2436 條 /密度可達 470b/頭浮動高度為 ，記錄密度隨磁頭浮動高度的減小而線性增加，變化范圍為仍601998 年，硬磁盤容量已達 均搜尋時間為 9硬磁盤存儲器發(fā)展很快，種類繁多，且結(jié)構(gòu)差異很大，但其基本組成相似。目前使用最普遍的是溫徹斯持 (盤，簡稱溫盤。溫盤技術(shù)由美國 司于 1973年首先推出，這是一種高可靠性、大容量磁盤技術(shù)，其基本特征是： (1)采用全封閉結(jié)構(gòu)。溫盤驅(qū)動器的磁頭和盤片是作為 個整體被密封在盤腔內(nèi)，稱為頭盤組件 (典型的溫盤存儲器基本結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 件、搖臂或小車、步進電機、位置傳感器、以及讀寫預放大器 (件 )等采用全封閉結(jié)構(gòu)。封閉室內(nèi)有超凈化過濾，自循環(huán)系統(tǒng)散熱等措施使室內(nèi)保持 100 級潔凈度和自動冷卻。由于 件裝在頭盤腔中，放大器離磁頭很近，避免了高頻信號干擾，提高了讀出信號的信噪比。 (2)采用體積小、重量輕、負荷小的新磁頭 (溫盤磁頭重僅 5g)，磁層表面有氟碳潤滑層，使磁頭按接觸起停方式在低浮動高度下 (品中 第二種情形為外加磁場 過渡金屬整體的矯頑場 從常溫到激光加熱到溫度大于 但到了樣品的熱量擴散冷卻過程中 ,樣品中 而又由于 能把 這一種磁化翻轉(zhuǎn)過程所需要的時間已經(jīng)達到了亞皮秒的數(shù)量級 .1314 因此，研 究激光加熱鐵磁系統(tǒng)時的磁化動力學過程，測量激光感應(yīng)超快退磁及其磁 化恢復時間，對于探索光輔助磁記錄中的光 磁相互作用機制，促進記錄介質(zhì)的改進和優(yōu)化具有現(xiàn)實意義。 22 圖 15 稀土 過渡金屬熱輔助磁化翻轉(zhuǎn)過程 讀出原理 磁光記錄信息的讀出是利用磁光克爾效應(yīng)進行的 . 對于一個已寫入信息的 磁光介質(zhì)來說 ,介質(zhì)中磁疇的磁化方向有正反兩種情況 6,一束激光照射在介質(zhì)表面的某一位23 置時 ,如該處對應(yīng)的磁疇為正向磁化 ,則反射光的克爾轉(zhuǎn)角為 + K ;如該處對應(yīng)的磁疇為反 圖 16 讀出原理 向磁化 ,則反射光的克爾轉(zhuǎn)角為 - K. 因此 ,若偏振光分析器的軸向放置恰好與垂直于記錄介質(zhì)的平面成 K 夾角 ,則在介質(zhì)上反向磁化處的反射光將不能通過偏振光分析器 ,而在介質(zhì)上正向磁 化處 ,反射光可以通過偏振光分析器 ,這就證明偏振面轉(zhuǎn)過了 2 K 角度 在通過介質(zhì)表面反射的反射光光路上放一探測器 ,就可以方便地檢測出反射處是正向磁化還是反向磁化 ,即讀出了 “0”和 “1”. 如果磁光介質(zhì)安裝在一個可旋轉(zhuǎn)的圓盤上 ,就成為磁光盤 . 磁光盤可以象目前計算機上普遍采用的磁盤一樣旋轉(zhuǎn) ,進行數(shù)據(jù)的存取工作 . 磁光存儲系統(tǒng)如圖 17 所示 ,高功率半導體激光器發(fā)出調(diào)制激光束 ,半導體激光器的特征橢圓光輪廓經(jīng)光學系統(tǒng)準直并變圓 ,以便能明銳地聚焦到磁光盤上 偏振分光器 反射光轉(zhuǎn)向 ,同時減少對激光器的反饋 讀取數(shù)據(jù) 一旦存在偏差 ,即產(chǎn)生誤差訊號 ,反饋到伺服電機 ,以糾正偏差 .1516 磁光記錄介質(zhì) 自從本世紀 50 年代末有人提出磁光記錄原理以來 ,人們一直在關(guān)注著它的發(fā)展 . 60 年代 ,不少人研究過 料 ,由于熱穩(wěn)定性差和制備困難 ,后來被放棄了 . 整個 70 年代 ,人們把努力方向主要瞄準在對各種材料性能的了解和試驗上 . 到了 80 年代 ,由于電子設(shè)計、光學驅(qū) 動器技術(shù)的發(fā)展 ,生產(chǎn)設(shè)備的更新 ,使磁光記錄材料有了較大突破 . 這主要是指非晶態(tài)稀土 這種材料有較好的磁各向異性 ,其薄膜介質(zhì)既適合居里點24 寫入又適合補償點寫入 . 稀土過渡金屬（ 金是一類出色的磁光記錄材料，一般采用 材通過濺射沉積而成，因此可以方便的控制組分，調(diào)節(jié)介質(zhì)的磁性能，從而容易獲得高矯頑力、高垂直磁各向異性，同時兼具良好磁光和溫度特性的優(yōu)異介質(zhì)。 料主要分為兩大類：一類是鐵基，如 三元合金 ；另一類是鈷基，如 三元合金 。 目前，可用于光輔助磁記錄的 儲材料主要是在重稀土 過渡族（ 金的基礎(chǔ)上進行改進。 非晶垂直磁化膜具有良好的光輔助擦寫特性，室溫下具有很高的 激光照射下 迅速下降。由于磁光記錄采用的是磁光克爾效應(yīng)讀出，因此飽和磁化強度 低不影響其讀出；而作為磁光混合記錄介質(zhì)，由于采用頭讀出， 低則信號較弱，將對磁頭的靈敏度提出更高要求?，F(xiàn)有報道用雙層介質(zhì)膜進行改進，采用富 為讀出層，富 為寫入層，或 雙層結(jié)構(gòu)介質(zhì)均可獲得較好的記錄性能。 重稀土元素鋱（ 過渡族金屬鐵（ 鈷（ 成的非晶態(tài) 膜是磁光記錄領(lǐng)域的主流介質(zhì)。非晶態(tài)的優(yōu)點在于其組分可以連續(xù)變化，不像晶態(tài)結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)特定的相，易于獲得均勻的合金系，因此可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)介質(zhì)的磁性能參數(shù)，如飽和磁化強度（ 補償溫度（ 矯頑力（ ；另一方面，非晶態(tài)材料因無晶界噪聲，容易產(chǎn)生垂直磁化各向異性 有較大的克爾轉(zhuǎn)角 k。 于有較強的 的 近于 1 的矩形比，適中的居里溫度 優(yōu)異性能而被廣泛關(guān)注。 磁光信息存儲 ,要求磁光介質(zhì)具有下列性能 :1)足夠大的磁光效應(yīng) ;2)材料均勻 ,表面噪聲低 ;3)垂直各向異性 ;4)矯頑力大 ,以便有盡量大的存儲密度及抗外界磁場影響 ;5)居里溫度在 400600K 之間 ,以保證記錄功率適中 ;6)磁疇長期穩(wěn)定 ;7)濺射溫度低 ,速率高 . 具有 分的非晶稀土過渡金屬是能滿足上述要求的最佳磁光材料 . 5 在外加磁場的作用下實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)方法是外加反向磁場 ,如圖 18 . 利用外加反向磁場實現(xiàn)的磁化反 轉(zhuǎn)根據(jù)信息位的寫入原理還可分為直接磁化反轉(zhuǎn)、進動磁化反轉(zhuǎn)和熱助磁化反轉(zhuǎn)三種形式。直接磁化反轉(zhuǎn)，利用高頻的寫入電流脈沖，依靠記錄磁頭產(chǎn)生的高頻磁場可以直 接反轉(zhuǎn)磁性材料記錄位的信息，由于磁疇晶核的形成和壁移、轉(zhuǎn)動等磁化過程的限制，這種磁化反轉(zhuǎn)過程速度相對較慢，發(fā)生在 級。同時，當進一步提高直接磁化反轉(zhuǎn)的記錄速率，會碰到一個嚴重并且不可避免的鐵磁共振問題，即數(shù)據(jù)讀寫速率在接近或超過讀寫25 磁頭的本征鐵磁共振頻率極限時（ 1 3磁化反轉(zhuǎn)過程不能繼續(xù)進行。 圖 17 磁光存 儲系統(tǒng) 運用進動 ,外加一個與磁疇原始方向相互垂直的磁場進行進動 ,磁疇的磁化方向可以很容易就翻轉(zhuǎn)半個進動過程 ,如圖 19 速度上快 1 到 2 個數(shù)量級以及消耗較少的能量就能實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)的磁化進動開關(guān)或者彈道開關(guān)前景非常廣闊 運用這種方法把磁疇 M 的方向轉(zhuǎn)換回來時不用反復的改變垂直脈沖磁場的方向 ,而是再簡單地調(diào)整下開關(guān)脈沖就可以了 ,控制進動開關(guān)因素的只有垂直脈沖磁場的磁場強度跟脈沖持續(xù)時間 在幾百皮秒的時間內(nèi)產(chǎn)生一個時間足夠短且強度足夠強的磁場脈沖相當困難 ,在一般情況下，產(chǎn)生脈沖磁場 可以通過電器線圈，肖特基二極管或通過光纖交換機（所謂的奧斯頓開關(guān)），它可以產(chǎn)生相對較短脈沖 而 且 在 時間尺度上 這種方法 要快兩個數(shù)量級，將來有可能發(fā)展到亞皮秒尺度。 例如最近被證明可行的渦核超快磁開關(guān)可達到 40是目前能達到的進動開關(guān)速度的 5 倍 ! 自旋流作用實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 80 年前 ,英國天才理論物理學家狄拉克將新生的量子力學和愛因斯坦的相對論結(jié)合 , 26 圖 18 反向磁場實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 圖 19 垂直磁場進行磁化進動 建立了相對論量子力學 ,成功地解釋了電 子為什么會具有一種特別的磁性或角動量 ,即自旋 27 (1)電子除了質(zhì)量和電荷外 ,還有一個內(nèi)稟角動量 ,叫自旋 ; (2)每個電子自旋都有任意的兩個方向 h (就形成我們熟知的鐵磁體 ; (3)在磁場中 ,電子自旋平行或反平行于磁場時 ,電子具有不同的能量 ; (4)定向運動的電子形成電流 電子自旋的指向是無規(guī)的 ,沒有自旋的性質(zhì) ; (5)定向相干運動的電子自旋形成自旋流 自旋流是傳輸和控制 自旋的載體和動力 . 利用小范圍的強電子相互作用的自旋極化為操縱磁存儲系統(tǒng)在納秒數(shù)量級提供了一種全新的方法 0,在這里，包含不同自旋方向的電子流注入并通過不同薄層組成的圓柱面內(nèi) ,鐵磁 極化 層有著固定的磁化方向相當于偏振片 (當注入的電子流通過這 圖 20 注入自旋流實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 一層后變成自旋極化電流 自旋極化電流進入自由層并對這第二個鐵磁層產(chǎn)生一個扭 矩 另外 ,極化 層(自由層 (磁方面是相互獨立的 ,而且兩層之前由一層無磁性材料隔離開 電子自旋流先進入自由層 ,在將到達偏振層時由于自旋流方向與極化層磁矩相反而不能通過極化層并 被 極化 層反射回來 而 產(chǎn)生一個自旋積累 ,這些積累起來的自旋流子與傳輸過來的傳輸自旋流子方向相反地 擴散 回到自由層28 并把自由層的磁化方向翻轉(zhuǎn)回到原來的狀態(tài) .1718 在理論上 ,這種技術(shù)的翻轉(zhuǎn)速度只取決于注入電流脈沖的幅度與時間 ,因為偏振自旋流脈沖的角動量是直接傳輸?shù)綐悠反啪厣系?,避免了自旋晶格弛豫瓶頸 這種翻轉(zhuǎn)在實踐 中被證明在幾百皮秒數(shù)量級 . 全光磁化翻轉(zhuǎn) 全光翻轉(zhuǎn)這技術(shù)只是運用圓偏振光來實現(xiàn)鐵磁材料的磁化翻轉(zhuǎn) ,如圖 相應(yīng)光子的不同角動量狀態(tài)會改變磁化方向 唯一的不同是圓偏振光的角動量代替了電子自旋流的角動量 . 圖 21 運用圓偏振光實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 實驗證明 ,運用比較有代表性的材料 ,一個 40 飛秒的圓偏振激光脈沖就可以很好地實 現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) 的影響 1920 4 結(jié)語 社會的需求是技術(shù)發(fā)展的動力 容量發(fā)展到高速、高容量 從紙帶到磁帶 ,然后再到光盤與磁盤 ,存儲技術(shù)的每一次改革無不伴隨著存儲速度與容量的質(zhì)的飛躍 外加垂直脈沖磁場進動實現(xiàn)超快翻轉(zhuǎn)記錄可29 達到 40右的翻轉(zhuǎn)時間 ,比一般的存儲速度快 5 倍 級 但這項技術(shù)離實用化還有一段比較長的道路要走 特別是用激光熱輔助稀土 過渡金屬跨越補償點實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn) ,存儲速度可以達到亞皮秒的 數(shù)量級 不難預見 ,未來二十年信息存儲將是磁光存儲的世界 . 目前超快速信息存儲領(lǐng)域正出現(xiàn)百家爭鳴的狀態(tài) 除了 文中提到的 比較接近實用的磁光存儲技術(shù)以外 ,還有光子存儲、全息光存儲、近場光存儲等 未 來也可能同時存在多種超快存儲技術(shù) . 30 致 謝 本論文是在 徐初東老師 的精心指導和幫助下完成的， 感謝徐老師在論文的選定過程中對我的信任 在初期 ,徐老師表達出的對我的信任以及樂此不倦地給我講解各