열의 광학적 힘

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8451(2023) 이 기사 인용

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열 보조 자기 기록 기술의 주요 과제는 근거리 변환기에 스미어라고 하는 오염 물질이 쌓이는 것입니다. 본 논문에서는 스미어 형성 시 전기장 구배에서 발생하는 광학적 힘의 역할을 조사합니다. 먼저, 적절한 이론적 근사법을 기반으로 이 힘을 두 개의 스미어 나노입자 형태에 대한 헤드-디스크 경계면의 공기 저항 및 열영동 힘과 비교합니다. 그런 다음 관련 매개변수 공간에 대한 역장의 민감도를 평가합니다. 우리는 스미어 나노입자의 굴절률, 모양 및 부피가 광학적 힘에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 또한, 우리의 시뮬레이션은 간격 및 기타 오염 물질의 존재와 같은 인터페이스 조건도 힘의 크기에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.

기존 디스크 드라이브 기록 기술의 기록 밀도는 초상자성 한계에 접근하고 있지만, 데이터 저장에 대한 수요는 그 어느 때보다 높습니다. HAMR(열 보조 자기 기록)은 이러한 증가하는 수요를 충족하는 선도적인 기술입니다1. HAMR에서는 NFT(Near-field Transducer)가 도파관을 통해 레이저로 조명됩니다(그림 1a). 이는 국부적인 표면 플라즈몬2의 여기를 통해 정점에서 강력한 광학 근접장을 생성합니다. 이 표면 플라즈몬은 FePt 기반 매체를 퀴리 온도(\(> 800\) K)로 가열하여 쓰기 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 이 과정에서 평균 헤드-디스크 간격은 수십 기압의 압력에서 \(<10\)nm입니다. 온도 장 기울기는 \(10^9 \) K/m3를 초과하고 전기장의 크기는 \(5 \times 10의 기울기에서 약 \(7 \times 10^{7} \) V/m4입니다. ^{16} \) V/m\(^2\). 이러한 극단적인 조건은 스미어라고 알려진 오염 물질이 머리에 축적되는 길을 열어줍니다5,6,7(그림 1b). 스미어는 HAMR 드라이브의 신뢰성을 제한하는 핵심 요소 중 하나이므로 이에 대한 근본적인 이해가 중요합니다. 여러 조사에서는 도말 형성을 촉진하는 온도 관련 메커니즘에 초점을 맞췄습니다8,9,10,11; 그러나 우리가 아는 한, 전기장 구배와 그 트래핑 잠재력의 영향을 고려한 연구는 아직 없습니다.

Arthur Ashkin은 그의 독창적인 연구에서 집중된 레이저 빔이 광학적 힘으로 인해 미세한 입자를 가둘 수 있음을 보여주었습니다. 이 힘은 광학 핀셋의 기초를 형성합니다. 또한 지난 수십 년 동안 이 이론은 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)과 국부적인 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 활용하는 플라즈몬 핀셋13을 통해 빛의 회절 한계를 깨기 위해 확장되었습니다. NFT의 표면 플라즈몬과 이를 가로지르는 큰 전기장 구배를 통해 헤드-디스크 인터페이스는 스미어 입자를 가두는 플라즈몬 핀셋 역할을 할 수 있습니다. 본 연구에서는 이 전기장 구배가 스미어 형성에 미치는 영향을 조사합니다. 우리는 적절한 이론적 가정을 사용하여 광학적 힘, 항력 및 열영동력을 정량화합니다. 그런 다음 구형 및 타원형 나노입자에 대한 이러한 힘의 크기를 비교하여 광학 트랩의 상대적 중요성을 보여줍니다. 결과는 얼룩 형성에 영향을 미칠 수 있는 광학 트랩의 존재를 시사합니다. 관련 매개변수 공간에 대한 민감도 분석은 스미어 나노입자 특성과 모양이 광학력에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 또한, 우리는 더 낮은 헤드-디스크 인터페이스 간격과 외부 오염물질의 존재가 스미어 형성의 광학적 힘 메커니즘을 도울 수 있음을 발견했습니다. 마지막으로 결과를 요약하고 HAMR 헤드 디스크 인터페이스 설계에 도움이 될 결론을 도출합니다.

(a) HAMR 헤드-디스크 어셈블리의 개략도(크기에 맞지 않음). 머리를 기준으로 두 방향도 표시됩니다. 하향 트랙 방향은 디스크의 원주 방향을 따르고, 수직 방향은 디스크에 수직입니다. 교차 트랙 방향은 머리의 너비를 따라 회로도의 평면에 있습니다. (b) HAMR 쓰기 후 머리에 얼룩이 있는 실험 이미지5.