الجيل القادم من أجهزة الذاكرة الضوئية: فائقة السرعة

الجيل القادم من أجهزة الذاكرة الضوئية ( الفوتونية ): مكتوبة بالضوء وفائقة السرعة وذات كفاءة في استهلاك الطاقة – يعتبر الضوء الطريقة الأكثر كفاءةً في استهلاك الطاقة لنقل المعلومات، مع ذلك، لدى الضوء سيئة واحدة وهي صعوبة تخزينه. تعتمد مراكز البيانات بشكل رئيسي على أقراص صلبة مغناطيسية، نقل المعلومات من هذه الأقراص يستهلك طاقةً كبيرة في هذه الأيام.

طوّر باحثون من معهد التكامل الفوتوني من جامعة آيندهوفن للتكنولوجيا تقنية هجينة (hybrid technology) التي تجمع بين حسنات الضوء والأقراص الصلبة معًا. تسمح نبضات الضوء القصيرة جدًا (فيمتوثانية) للمعلومات بأن تكتب على عجل في ذاكرة مغناطيسية بطريقة سريعة وذات كفاءة عالية جدًا في استهلاك الطاقة. يتعهد هذا البحث (الذي نشر في مجلة Nature Communications) بإحداث ثورة في عملية تخزين البيانات على دوائر الذاكرة الضوئية ( الذاكرة الفوتونية ) المتكاملة في المستقبل.

تخزّن البيانات في الأقراص الصلبة على شكل ثنائيات (bits)، مجالات مغناطيسية صغيرة ذات قطبين شمال وجنوب، يحدد اتجاه هذه الأقطاب (مغناطيسيتها) فيما إذا كانت الثنائية تحتوي على 0 أو 1. كتابة البيانات تتم بـ “تبديل” اتجاه مغناطيسية الثنائيات الملائمة.

فريمغناطيسية اصطناعية

عادةً، يحصل التبديل عندما يتم تفعيل حقل مغناطيسي خارجي، ما يؤدي إلى تغير اتجاه الأقطاب للأعلى (1) أو للأسفل (0). بدلًا من ذلك، من الممكن تحقيق التبديل بواسطة تسليط نبضة ليزر قصيرة (فيمتو ثانية)، ما يدعى (التبديل البصري الكلي – all-optical switching)، النتيجة هي تخزين بيانات أسرع وأكثر كفاءةً في استهلاك الطاقة.

قال مارك لاليو (Mark Lalieu) من جامعة آيندهوفن للتكنولوجيا: «التبديل البصري الكلّي لتخزين البيانات معروف لنا منذ عقد تقريبًا، عندما شوهد التبديل البصري الكلي في مواد فريمغناطيسية -بين المواد المبشّرة في مجال الأجهزة ذات الذاكرة المغناطيسية- حصل مجال هذا البحث على دعم عظيم». مع ذلك، تبديل المغناطيسية في هذه المواد يتطلب نبضات ليزر متعددة، ولذلك، مدة أطول لكتابة البيانات.

استطاع لاليو بمساعدة رينود لافريجسن (Reinoud Lavrijsen) وبيرت كوبمانس (Bert Koopmans) تحقيق تبديل بصري كليّ في مواد فريمغناطيسية اصطناعية -مواد ملائمة جدًا للعمل مع بيانات الإلكترونيات الدورانية- باستخدام نبضة فيمتو ثانية ليزرية واحدة، وبذلك تُستغل السرعة العالية لكتابة البيانات والانخفاض في استهلاك الطاقة.

إذن، كيف يضاهي التبديل البصري الكليّ أجهزة التخزين المغناطيسية الحديثة؟

يجيب لاليو: «تبديل اتجاه المغناطيسية بواسطة تبديل بصري كليّ ذي نبضة واحدة يحدث خلال بيكو ثواني (picoseconds)، أي أسرع بحوالي 100 حتى 1000 مرة مما هو ممكن بما يتوفر اليوم من تقنية. زد على ذلك، بما أنّ المعلومات الضوئية (الفوتونية) تُخزّن في ثنائيات مغناطيسية دون الحاجة للإلكترونات المكلفة للطاقة، فهي تحمل إمكانيات عظيمة للاستعمال في الدوائر الضوئية (الفوتونية) المتكاملة مستقبلًا» فنحصل على الذاكرة الذوئية أو الذاكرة الفوتونية.

إضافةً لذلك، قام لاليو بجمع التبديل البصري الكليّ مع ما يدعى بذاكرة المضمار (racetrack memory) – سلك مغناطيسي تمر فيه البيانات (على شكل ثنائيات مغناطيسية) بكفاءة باستخدام تيار كهربائي. في هذا النظام، تُكتب الثنائيات المغناطيسية باستمرار بواسطة الضوء، وتُنقل حالًا على طول السلك بواسطة التيار الكهربائي، تاركةً المساحة للثنائيات المغناطيسية الفارغة، ما يسمح بتخزين بيانات جديدة.

أضاف كوبمانس: «نسخ المعلومات المباشر هذا بين الضوء والمضمار المغناطيسي، دون أي تدخل ذي صلة بالإلكترونات، يشبه القفز من قطار سريع لقطار آخر، سوف تفهم الازدياد العظيم في السرعة والانخفاض في استهلاك الطاقة الممكن تحقيقه بهذه الطريقة».

في المستقبل، من المتوقع تصميم أجهزة أصغر على مقياس النانومتر لدمج أفضل على الرقائق. بالإضافة لذلك، مع العمل على التجميع النهائي لجهاز الذاكرة الضوئية (الفوتونية)، تنشغل حاليًا مجموعة فيزياء البنية النانوية (Physics of Nanostructure) ببحث موضوع قراءة البيانات المغناطيسية، ما يمكن تطبيقه أيضًا بواسطة الضوء كليًا.

المصدر