東芝集團(tuán)（“東芝”）近日宣布，針對有望進(jìn)一步實現(xiàn)硬盤大容量化的下一代技術(shù)——共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR），東芝成功開發(fā)出可詳細(xì)闡明磁頭內(nèi)“自旋扭矩振蕩元件”（以下簡稱STO）振蕩狀態(tài)的評估方法。

具備低成本儲龐大量數(shù)據(jù)的機械硬盤，至今仍是重要的存儲設(shè)備，且市場對更高記錄密度的需求持續(xù)增長。東芝致力于同時開發(fā)共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）和熱輔助磁記錄（HAMR）兩項技術(shù)，其中，在MAS-MAMR方面，東芝硬盤采用獨創(chuàng)的雙振蕩型STO， 并已證實能有效提升記錄能力，成為一項重要技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展[1]。

要實現(xiàn)共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）的商業(yè)化，需要準(zhǔn)確掌握STO的振蕩狀態(tài)，以獲得最佳微波特性，并將其反應(yīng)到設(shè)計中，然而傳統(tǒng)方法難以對其進(jìn)行詳細(xì)解析。

東芝此次通過與日本國立研究開發(fā)法人物質(zhì)與材料研究機構(gòu)（以下簡稱NIMS）的共同研究，成功開發(fā)出可直接評估STO振蕩狀態(tài)的創(chuàng)新方法。該方法有助于加深對雙振蕩型STO為代表的STO工作機制的理解，并推動共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。東芝硬盤將繼續(xù)開發(fā)共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）與熱輔助磁記錄（HAMR）兩項技術(shù)，并推動下一代近線硬盤的研發(fā)。

該成果已于2026年1月21日發(fā)表于《Communications Physics》[2]。該期刊是由Nature Portfolio發(fā)行的物理學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)刊物，刊載對物理科學(xué)各專業(yè)領(lǐng)域中具有研究影響力的新實驗結(jié)果、新技術(shù)以及計算方法等成果。

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開發(fā)背景

隨著社會數(shù)字化進(jìn)程不斷推進(jìn)，生成式AI的快速發(fā)展正深刻改變我們的生活。信息存儲需求持續(xù)增長，機械硬盤在2024年的出貨容量已超過1ZB，仍然在信息存儲設(shè)備中發(fā)揮核心作用。預(yù)計到2030年，機械硬盤市場規(guī)模將達(dá)到320億美元，其中面向數(shù)據(jù)中心的大容量近線硬盤市場預(yù)計將顯著增長[3]。在此背景下，市場對硬盤進(jìn)一步實現(xiàn)大容量化的需求將持續(xù)增強。

實現(xiàn)大容量化的關(guān)鍵，在于新型記錄方式——能量輔助磁記錄技術(shù)。東芝正在推進(jìn)兩種能量輔助技術(shù)的開發(fā)：對磁記錄介質(zhì)施加微波的MAS-MAMR，以及通過加熱介質(zhì)的HAMR。

共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）中的微波源由磁頭尖端形成的STO產(chǎn)生。東芝率先提出并開發(fā)了雙振蕩型STO，并成功驗證了通過MAS-MAMR效應(yīng)提升記錄能力的效果[1]。雙振蕩型STO通過內(nèi)部的兩個磁性層協(xié)同振蕩，能夠產(chǎn)生最適和MAS-MAMR的微波。為了提高M(jìn)AS-MAMR的記錄密度，微波的穩(wěn)定性、頻率、強度和振蕩方向等因素非常重要，而解析和理解作為微波源的STO的振蕩狀態(tài)，對于改良STO的設(shè)計并進(jìn)一步實現(xiàn)硬盤的大容量化至關(guān)重要。

然而，磁頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝在其中的納米級STO難以直接觀察并解析其振蕩狀態(tài)。以往通過結(jié)合模擬結(jié)果和記錄特性等多個間接信息來推測振蕩狀態(tài)，但通過直接解析來理解工作機制，已成為更高階技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵。

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本項技術(shù)的優(yōu)點

因此，東芝通過與NIMS的共同研究，開發(fā)出可詳細(xì)闡明STO振蕩狀態(tài)的評估方法。該方法通過引入一種新的評估天線，并從外部向STO發(fā)射微波，實現(xiàn)了以往難以完成的振蕩狀態(tài)直接評估（圖1）。

圖1：共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）記錄操作和本評估方法示意圖

該方法著眼于STO振蕩與評估用天線所照射微波之間的同步現(xiàn)象。同步現(xiàn)象的有無因STO振蕩狀態(tài)而異，特別是在雙振蕩型STO所追求的雙振蕩狀態(tài)下，該同步現(xiàn)象不會出現(xiàn)。即使在傳統(tǒng)測量中振蕩信號無明顯差異的情況下，該方法也能明確區(qū)分雙振蕩狀態(tài)與非雙振蕩狀態(tài)，從而闡明振蕩狀態(tài)（圖2）。根據(jù)STO的振蕩狀態(tài)，可能會出現(xiàn)多個振蕩信號，但由于可以在頻率層面進(jìn)行測量，因此可以確定出共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）最佳振蕩狀態(tài)的真實頻率。

圖2：利用該評估方法區(qū)分雙振蕩型STO的振蕩狀態(tài)

雖然磁頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但只有STO會對評估用天線所發(fā)出微波產(chǎn)生靈敏的響應(yīng)，因此可實現(xiàn)對STO進(jìn)行專門的測量。傳統(tǒng)方法需要準(zhǔn)備復(fù)雜的配線才能進(jìn)行精確評估，而本方法只需引入天線即可完成評估。能在數(shù)十GHz高頻振蕩下直接識別磁頭內(nèi)部STO狀態(tài)的技術(shù)，代表硬盤記錄技術(shù)領(lǐng)域的重要創(chuàng)新進(jìn)展。

此外，STO還有望應(yīng)用于模擬人腦工作機制的神經(jīng)形態(tài)計算，以及適用于時間序列數(shù)據(jù)處理的儲備池計算等下一代計算系統(tǒng)，該方法不僅限于共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR），還可廣泛應(yīng)用于STO的各種應(yīng)用領(lǐng)域。

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未來展望

該方法將促進(jìn)對STO工作機制的理解， 有助于實現(xiàn)STO的高級設(shè)計改良以及共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。東芝將繼續(xù)開發(fā)MAS-MAMR與HAMR兩項技術(shù)，加速下一代大容量硬盤的研發(fā)，并致力于為快速擴張的數(shù)據(jù)中心、生成式AI等多樣化的存儲需求提供解決方案。