Магнетоелектроніка та магнетооптика

Магнетоелектроніка використовує матеріали з магнітними властивостями, а також взаємодію та взаємоперетворення електричних та магнітних сигналів. Одним з найбільш важливих та перспективних пристроїв магнітоелектроніки є пристрої з магнітною пам’ятью.

Магнітна пам’ять – це здатність феромагнетика або ферита зберігати стан намагнічування після припинення дії зовнішнього магнітного поля. Ця здатність виявляє себе в умовах спостереження процесів намагнічування - перемагнічування в синусоїдальному зовнішньому магнітному полі як залежність В(Н) внутрішнього магнітного поля індукцією В від зовнішнього поля напруженістю Н у вигляді петлі гістерезису. Природа явища розглянута в розділі 2

Магнітна пам’ять використовують для запису інформації у двійковій системі. З рис. 2.2 видно, що коли напруженість зовнішнього поля Н = 0, ферит

або феромагнетик може перебувати у двох станах: із B = +B_r та B = -B_r, де B_r –

залишкова індукція. Один зі станів приймають за «нуль», а інший – за «одиницю», тобто один елемент містить один біт інформації.

 

 

Комірки магнітної пам’яті сучасних ЕОМ мають вигляд кілець розмірами 0.3 мм (зовнішній діаметр) та 0.15 мм (внутрішній діаметр). Принципова схема однієї комірки та матриці комірок показані на рис. 3.9. Через феритове кільце пропущені три провідники: 1 – шина запису, 2 – шина обертання, 3 – шина зчитування інформації. Для запису пропускають імпульс струму за шиною 1, він забезпечує зовнішнє магнітне поле та намагнічування ферита до стану +B_r (одиниця). Для зчитування інформації струм пропускають за шиною 2. Він створить магнітне поле, що переведе ферит у стан -B_r (нуль). Одночасно у шині 3 з’виться імпульс струму перемагнічування. Він засвідчить той факт, що була записаною саме «одиниця». Але це зчитування є руйнівним, записана «одиниця» зникає. Якби записаною був «нуль», то перемагнічування не було б, й сигнал у шині 3 не з’явився би. З подібних до описаної комірок створюють матриці пам’яті (рис. 3.9).

З метою мініатюризації використовують магнітні плівки. У плівках не утворюються така складна доменна структура, яка спостерігається в об’ємних феромагнетик-

ках (рис. 3.10.). Залишається лише один домен із вектор індукції В,перпендикуляним до поверхні плівки. Орієнтацію вектора В, так само, як в попередньому випадку, можна змінювати зовнішнім магнітним полем. Принцип запису та зчитування теж такий самий. З дискретних фрагментів плівок компонують матрицю. Перевагою плівкової матриці є зменшення часу на намагнічування та перемагнічування до 1 нс.

Більш перспективним є запис інформації на так званих циліндричних магнітних доменах (ЦМД). В цьому випадку плівку виготовлюють з анізотропного феромагнітного матеріалу таким чином, щоб ось легкого намагнічування була перпендикулярною до поверхні плівки. В цих умовах доменна структура має вигляд антипаралельних доменів. (рис. 3.10). Завдяки магнітооптичному ефекту Фарадея доменну структуру можна спостерігати у поляризованому світлі як сукупність темних та світлих ділянок. У зовнішньому магнітному полі Н домени із вектором В││Н збільшують свій об’єм за рахунок доменів, у яких вектор В спрямований протилежно вектору Н. У слід за збільшенням зовнішнього поля антипаралельні домени зменшуються та змінюють форму доти, поки не залишаться у вигляді малих циліндрів – ЦМД (рис. 3.11).

ЦМД залишаються як стійкі утворення й після припинення дії зовнішнього магнітного поля, більш того, можуть вільно переміщуватися за плівкою. Саме здатність ЦМД до переміщення привернула до них увагу дослідників. Використати ЦМД як носіїв інформації можна наступним чином. Припустимо, що зовнішнє магнітне поле забезпечує рух ЦМД вздовж одного напрямку. Тоді у двійковій системі число «одиниця» можна сформувати у вигляді ланцюжка з ЦМД, а числу «нуль» буде відповідати відсутність ЦМД. Завдяки малим розмірам ЦМД (~мкм) та великій швидкості їх руху (~ 1 м/с) записану інформацію можна передавати зі швидкістю ~1 мегабит/с. Для зчитування інформації використовують метод реєстрації зміни магнітного опору.

Магнітооптичні модулятори світла перетворюютьмодуляцію світла за поляризацією у модуляцію світла за інтенсивністю. Цю операцію можна виконати суто оптичними засобами. Для цього достатньо помістити магнітооптичний елемент між схрещеними поляризаторами. Систему схрещених поляризаторів називають поляризаційним мікроскопом. У принціпі, така система не пропускає світло. Однак, якщо між поляризаторами ввести оптично активне середовище, то частина світла, інтенсивність якого пропорційна квадрату синуса кута повороту площини поляризації, пройде через систему. Таким чином, завдяки ефекту магнітооптичної активності (магнітооптичному ефекту Фарадея) вдається промодулювати світло за інтенсивністю, яка буде приблизно пропорційна квадрату напруженості магнітного поля.

Одними з найкращих магнітооптичних матеріалів визнані рідкоземельні ортоферити та ферити-гранати. Це обумовлено їх високою прозорістю для видимого й ближнього інфрачервоного діапазонів та значним ефектом Фарадея. Перспективним магнітооптичним матеріалом є також EuO₂. Він володіє рекордним значенням величини кута фарадеївського обертання (до 10⁶ град/ см).

Магнітооптичні модулятори різного призначення. Принцип їх дії базується на використання магнітооптичних ефектів Фарадея та Керра в доменних структурах, які можуть бути перебудовані дією зовнішніх керувальних полів (теплових, магнітних і т.п.).

Наприклад, магнітооптичний модулятор здійснює просторову модуляцію світла при його проходженні через доменну структуру тонкої плівки, що перемагнічується. Принцип модуляції полягає у періодичному повороті площини поляризації світла у плівці за умовою прикладання періодичного керувального сигналу. Одержують фазову модуляцію світла, яку перетворюю в амплітудну модуляцію за допомогою аналізаторів.

Магнетоопти́чний диск – носій інформації, в якому сполучені властивості оптичних та магнітних накопичувачів інформації.

Вперше магнетоптичний диск з’явився на початку 1980-х років. Цей диск взаємодіє з операційною системою так само, як і жорсткий диск, тому може бути відформатованим у стандартну файлову систему NTFS.

Магнітооптичний диск виготовляють з феромагнетиків. Запис інформації здійснюється наступним чином. Спочатку випромінювання лазера розігріває до температури Кюрі ділянку доріжки на ньому. Після цього електромагнітний імпульс змінює там намагніченість, створюючи відбитки, еквівалентні питам.

Пит – це одиничне поглиблення на інформаційному рельєфі компакт-диска, рельєф, у свою чергу, являє собою неперервну спіральну доріжку, яка у більшості випадків бере початок від центра диска. Ця доріжка складається з поглиблень – питів на оптичних дисках.

Зчитування здійснюється тим самим лазером, але меншої потужності, недостатньої для розігріву диска: поляризований лазерний промінь проходить крізь оптичну систему й потрапляє на датчик. В залежності від його локальної намагніченості змінюється площина поляризації світла (ефект Керра), саме це визначає датчик.

Переваги магнітооптичного диска: слабка чутливість до механічних пошкоджень; гарантовано висока якість запису; велика кількість циклів «запис –стирання інформації», велика швидкість обертання диска (3 000—3 600 об/хв.), що забезпечує велику швидкість передачі даних, швидкість запису практично дорівнює швидкості зчитування й досягає кількох мегабайт в секунду.

Недоліком є значне споживання електроенергії. Для розігріву потрібні лазери великої потужності.