随着人工智能、云计算以及各类数字服务的迅速扩张，全球对更高速、更节能的信息存储与处理技术的需求持续攀升。由国家量子科学技术研究所（QST）牵头的研究团队近日开发出一种新型磁性存储材料，可以利用激光光脉冲而非电流进行信息重写，有望显著降低数据中心的能耗，并支撑下一代高速信息系统的发展。

该成果已发表在期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上。

这种新材料能够通过单个超短激光脉冲完成磁信息的切换。由于光在反转磁化方向方面比电流更迅速，这一方法的切换速度约为传统电驱动磁存储的 1000 倍，同时还能减少热量产生和能量损失。

研究团队指出，这一进展为面向人工智能硬件、边缘计算设备以及未来光电子平台的低功耗磁存储材料提供了新的候选方向。

国家量子科学技术研究所高崎先进量子科学研究中心量子材料与应用研究组组长坂井诚司博士表示：“当今数字社会迫切需要既高速又可持续的存储技术。通过证明实用存储材料可以用光来切换，我们相信这项工作为未来信息系统中的超高速、低功耗器件提供了一条切实可行的路径。”

电流驱动磁存储的瓶颈

磁存储依靠改变材料内部的磁化方向来记录信息。现有主流磁存储技术通常通过电流来写入数据。

这种方式的优势在于信息在断电后仍可保持，但也存在明显限制：写入速度受电流驱动过程约束，同时电流会产生大量热量，导致能耗上升。随着人工智能应用和大规模数字基础设施不断扩张，由此带来的功耗压力愈发突出。

为应对这一问题，研究团队将目光转向“全光切换”现象，即利用光直接反转磁化方向，而无需电流参与。此前，这一效应已在部分铁磁材料中被观测到，但这些材料的磁性读出信号较弱，难以满足稳定数字操作的实用存储需求。

相比之下，合金 CoFeB 具有接近完全的自旋极化和优异的读出性能，已在磁存储器件中得到广泛应用。然而，过去普遍认为 CoFeB 并不适合实现光学切换。

构建可被光切换的新型合金结构

为突破这一限制，研究人员设计了一种由钴、钆以及 CoFeB 反铁磁交换耦合层构成的新型人工铁磁体结构。通过在原子尺度精确调控各层厚度，并对多层堆叠结构进行优化，他们成功制备出一种材料，其磁态可以被单个飞秒激光脉冲稳定、可重复地反转。

团队进一步展示了该材料在写入与重写操作中的稳定性和可重复性，证明其具备作为存储介质的基本功能。

“本研究的关键之一，是我们在基于 CoFeB 的体系中实现了光学切换，而 CoFeB 与磁隧道结技术高度兼容。”坂井指出，“这种兼容性使得本成果与未来实际器件的衔接性远高于早期仅停留在模型材料上的演示。”

材料分析与表征

研究工作的核心环节之一，是利用日本第四代同步辐射装置 NanoTerasu 对材料进行精细表征。团队通过 X 射线磁性圆二色性光谱，分析了多层结构中自旋的排列方式以及层与层之间的相互作用。

这些测量结果为理解多层结构的原子级特性提供了重要线索，并在新材料的设计与优化过程中发挥了关键指导作用。

该研究的潜在影响远不止于实验室演示。更快且更低功耗的磁存储技术，有望缓解人工智能时代的一项隐性成本——数据中心和高性能计算系统不断攀升的电力需求。

根据提交的材料，这项技术从长远看还有望作为连接光互连与电子电路的光电转换接口，推动实现将光子学与电子学集成在同一平台上的光电子芯片。研究团队预计，此类材料在光电子接口中的实际应用，有望在未来十年内逐步展开。