Магнито-оптические системы

Их принцип действия основан на магнито-оптическом эффекте Керра, заключающемся в изменении ориентации плоскости поляризации света при взаимодействии с намагниченной поверхностью. Средой, несущей информацию, является слой напыленного ферромагнетика TbFeCo толщиной около 25 нм. Поскольку он очень чувствителен к влаге, его с двух сторон защищают слоями Si₃N₄. За нижним из них располагают отражающий слой Al с тем, чтобы свет дважды прошел через пленку TbFeCo (рис. 2). Сигнал с фотодатчика появляется благодаря тому, что к опорному пучку, ответвленному оптическим расщепителем потока, добавляется отраженный луч с изменившейся плоскостью поляризации. Выходной сигнал через контроллер управляет подвижной оптической системой (для оптимизации взаимодействия светового потока с носителем).

Рис. 2. Поперечное сечение магнито-оптического диска и лазерная система считывания информации.

Ключевым элементом такой системы безусловно является магнитный слой, содержащий редкоземельные элементы. В описанном примере он содержит переходный металл (Fe) и редкоземельный элемент (Tb), которые образуют аморфную пленку с антиферромагнитным упорядочением магнитных моментов. В зависимости от их соотношения в сплаве и температуры в пределах одного домена может возникать дифференциальная намагниченность того или иного знака (ферримагнетизм). Разогрев некоторой области пленки сфокусированным лазерным пучком и наложение внешнего магнитного поля позволяет создать намагниченную область и «вморозить» бит информации в носитель. Разумеется, требования к материалу носителя здесь гораздо сложнее, чем при простом намагничивании записывающей магнитной головкой. Они могут обеспечиваться частичной заменой Tb другими редкоземельными элементами (Gd, Dy и др.), а Fe - другими переходными металлами (Co, Ni).

Пространственное разрешение в таком способе в принципе может значительно превышать дифракционный предел благодаря использованию только центральной части лазерного пучка и другим специальным мерам, например, использованию ближнего поля вблизи открытого конца световода малого диаметра. Первый ближнепольный оптический микроскоп (SNOM – Scanning Near Field Optical Microscope) был построен Д. Полем в 1982 г. в лабораториях IBM. В дальнейшем образовалось целое семейство сканирующих оптических микроскопов, использующих оптические волноводы и диафрагмы с поперечными размерами R много меньше длины волны падающего на них света λ. Это позволяет преодолеть дифракционный предел разрешения ~ 200 нм, присущий обычной оптической микроскопии, и достигать разрешения ~ 10 нм, а в некоторых случаях - и выше. Принцип действия SNOM заключается в использовании не распространяющихся за пределы диафрагмы мод электромагнитной волны, локализованных в области z ~ R. Т.е. свет почти не испускается такой диафрагмой, а лишь слегка «вываливается» из нее. Однако при взаимодействии с близко расположенным объектом часть энергии электромагнитного поля ближней зоны преобразовывается в обычные распространяющиеся моды, что может быть зарегистрировано чувствительным фотоприемником (рис. 3).

Зондом в SNOM обычно служит специальное оптическое волокно с коэффициентом преломления в центре большим, чем на периферии. Это приводит к полному внутреннему отражению и позволяет практически без потерь передавать электромагнитное излучение от источника света к образцу или фотоприемнику. Необходимое сужение на кончике зонда с характерными размерами в несколько десятков нм выполняют методами химического травления или вытяжки исходного оптоволокна.

Рис. 3. Основные моды ближнепольной зондовой оптической микроскопии (SNOM) на отражение. 1 – падающий пучок света, 2 – световод, 3 – отражающая стенка световода, 4 – область ближнего поля (R < λ), 5 – образец, 6 –– отраженный свет.

Как следует из названия этого вида микроскопии, образец необходимо приблизить и удерживать во время сканирования на расстоянии значительно меньше длины световой волны, т.е. порядка единиц - десятков нм. Как правило, это достигается методами AFM или родственными приемами, использующими возникновение нормальных или латеральных сил между иглой и исследуемой поверхностью, а также цепей обратной связи, с помощью которых отслеживается микрорельеф поверхности при сканировании.

Емкость серийно производимых в настоящее время магнито-оптических дисков диаметром 120 мм достигает 5 ГБ, что далеко от принципиальных пределов. С использованием SNOM технологии эту емкость можно увеличить почти на 2 порядка величины.

Системы с изменением фазового состояния носителя.

Руководящая идея этого подхода заключается в том, чтобы локально изменить фазовое состояние носителя, сохранять эту фазу как угодно долго, обнаруживать и считывать записанный бит сколько угодно раз без разрушения информации и при необходимости стирать ее, т.е. возвращать материал в исходное фазовое состояние.

Наиболее удобный и освоенный к настоящему времени фазовый переход «кристалл-аморф» уже используется в самых совершенных на сегодняшний день перезаписываемых (RW) компакт-дисках формата DVD. Вкратце принцип их действия заключается в следующем. Первоначально носитель (обычно многокомпонентный сплав с температурой плавления около 500⁰ С) находится в кристаллическом состоянии. С целью записи бита информации сфокусированный лазерный пучок коротким импульсом быстро нагревает небольшой участок носителя до температуры выше точки плавления T_m (рис. 4). После выключения света начинается интенсивный теплоотвод в окружающие холодные слои материала, и температура разогретого участка начинает падать с высокой скоростью (более 10⁹ К/с в реальных условиях).

Рис. 4. Принципиальная схема записи, считывания и стирания информации в среде, испытывающей фазовый переход. T_m, T_r и T_R – температура плавления, рекристаллизации и окружающей среды соответственно.

Высокая скорость охлаждения обусловлена малыми размерами перегретой области (R~ 100 нм), что в соответствии с соотношением τ ≈ R²/χ дает время охлаждения τ ≈ 10 нс (здесь χ – коэффициент температуропроводности материала матрицы). Это приводит к фиксации атомной структуры жидкости и затвердеванию расплава в аморфном состоянии. Такое состояние имеет отличные от кристаллического оптические, электрические и другие характеристики. Фактически происходит запоминание бита информации, не требующее в дальнейшем затрат энергии для своего сохранения. Считывание происходит с помощью лазерного пучка меньшей интенсивности, которая не разрушает аморфного состояния. Для стирания этого бита необходимо снова разогреть соответствующий участок, но теперь до температуры рекристаллизации и дождаться полного перехода аморфной фазы в кристаллическую.

Аморфизация при быстром охлаждении из расплава происходит в большом числе многокомпонентных сплавов по достижении критической скорости охлаждения V_с. Однако очень немногие сплавы обладают ярко выраженной разницей в оптических свойствах в кристаллическом и аморфном состоянии, не создают больших остаточных напряжений в матрице, рекристаллизуются с высокой скоростью при повышенной температуре, но сохраняют аморфное состояние при комнатной температуре длительное время. Такой набор свойств, в частности, имеет тройной сплав GeSbTe. И закалка из расплава, и рекристаллизация аморфизированного участка в процессе стирания бита занимает в нем около 10 нс при достигнутой плотности записи ~ 1 Б/мкм² (~ 100 МБ/см²).

Дальнейшее увеличение плотности записи (вплоть до 10 ГБ/см²) может быть достигнуто при использовании техники сканирующих зондовых микроскопов, использующих ближнее поле излучателя SNОM (рис. 3).