Оптические силы в тепле

Том 13 научных докладов, номер статьи: 8451 (2023) Цитировать эту статью

166 Доступов

Подробности о метриках

Основной проблемой в технологии магнитной записи с нагревом является накопление загрязнений, называемых размазыванием, на преобразователе ближнего поля. В данной работе мы исследуем роль оптических сил, возникающих из-за градиента электрического поля, в формировании размытия. Во-первых, основываясь на подходящих теоретических приближениях, мы сравниваем эту силу с сопротивлением воздуха и термофоретической силой на границе раздела головка-диск для двух размазанных форм наночастиц. Затем мы оцениваем чувствительность силового поля к соответствующему пространству параметров. Мы обнаружили, что показатель преломления, форма и объем мазковой наночастицы существенно влияют на оптическую силу. Кроме того, наше моделирование показывает, что условия интерфейса, такие как расстояние и наличие других загрязнений, также влияют на величину силы.

Плотность записи в традиционных технологиях записи на диск приближается к суперпарамагнитному пределу, однако спрос на хранение данных выше, чем когда-либо. Магнитная запись с нагревом (HAMR) является ведущей технологией, отвечающей этому растущему спросу1. В HAMR датчик ближнего поля (NFT) освещается лазером через волновод (рис. 1а). Это создает сильное оптическое ближнее поле на его вершине за счет возбуждения локализованного поверхностного плазмона2. Этот поверхностный плазмон используется для нагрева носителя на основе FePt до температуры Кюри (\(> 800\) К) для выполнения операций записи. Во время этого процесса среднее расстояние между головкой и диском составляет \(<10\) нм при давлении в десятки атмосфер. Градиент температурного поля превышает \(10^9 \) К/м3, а величина электрического поля составляет около \(7 \times 10^{7} \) В/м4 с градиентом \(5 \times 10 ^{16} \) В/м\(^2\). Эти экстремальные условия открывают путь к накоплению загрязнений, известных как мазки, на голове5,6,7 (рис. 1б). Фундаментальное понимание размазывания имеет решающее значение, поскольку оно является одним из ключевых факторов, ограничивающих надежность приводов HAMR. Многочисленные исследования были сосредоточены на температурном механизме образования пятен8,9,10,11; однако, насколько нам известно, ни одно исследование еще не рассматривало влияние градиента электрического поля и его потенциала захвата.

В своей плодотворной работе Артур Эшкин12 показал, что сфокусированный лазерный луч может захватывать микроскопические частицы благодаря оптической силе. Эта сила составляет основу оптического пинцета. Кроме того, в последние несколько десятилетий эта теория была расширена, чтобы преодолеть дифракционный предел света с помощью плазмонного пинцета13, который использует поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) и локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR). Благодаря поверхностному плазмону на NFT и большим градиентам электрического поля на нем интерфейс головка-диск может действовать как плазмонный пинцет, улавливающий смазанные частицы. В этом исследовании мы изучаем влияние этого градиента электрического поля на образование пятен. Мы количественно определяем оптические силы, силы сопротивления и термофоретические силы, используя подходящие теоретические предположения. Затем мы сравним величину этих сил для сферической и эллипсоидной наночастицы, чтобы показать относительную значимость оптической ловушки. Результаты позволяют предположить наличие оптической ловушки, которая может влиять на образование пятен. Анализ чувствительности в соответствующем пространстве параметров показывает, что свойства и форма размазанных наночастиц существенно влияют на оптическую силу. Кроме того, мы обнаружили, что меньшее расстояние между головкой и диском и наличие посторонних примесей могут способствовать оптическому силовому механизму образования пятен. Наконец, мы суммируем результаты и делаем выводы, которые будут полезны при проектировании интерфейса головка-диск HAMR.

(а) Схематическое изображение узла головка-диск HAMR (не в масштабе). Относительно головы также показаны два направления. Направление движения вниз проходит вдоль окружного направления диска, а вертикальное направление перпендикулярно ему. Направление поперечного следа — по ширине головки и в плоскость схемы (б) Экспериментальное изображение мазка на головке после записи HAMR5.