東芝集團（“東芝”）近日宣布，針對有望進一步實現硬盤大容量化的下一代技術——共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR），東芝成功開發出可詳細闡明磁頭內“自旋扭矩振蕩元件”（以下簡稱STO）振蕩狀態的評估方法。

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

要實現共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）的商業化，需要準確掌握STO的振蕩狀態，以獲得最佳微波特性，并將其反應到設計中，然而傳統方法難以對其進行詳細解析。

東芝此次通過與日本國立研究開發法人物質與材料研究機構（以下簡稱NIMS）的共同研究，成功開發出可直接評估STO振蕩狀態的創新方法。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）技術的進一步發展。東芝硬盤將繼續開發共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）與熱輔助磁記錄（HAMR）兩項技術，并推動下一代近線硬盤的研發。

該成果已于2026年1月21日發表于《Communications Physics》[2]。該期刊是由Nature Portfolio發行的物理學領域學術刊物，刊載對物理科學各專業領域中具有研究影響力的新實驗結果、新技術以及計算方法等成果。

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開發背景

隨著社會數字化進程不斷推進，生成式AI的快速發展正深刻改變我們的生活。信息存儲需求持續增長，機械硬盤在2024年的出貨容量已超過1ZB，仍然在信息存儲設備中發揮核心作用。預計到2030年，機械硬盤市場規模將達到320億美元，其中面向數據中心的大容量近線硬盤市場預計將顯著增長[3]。在此背景下，市場對硬盤進一步實現大容量化的需求將持續增強。

實現大容量化的關鍵，在于新型記錄方式——能量輔助磁記錄技術。東芝正在推進兩種能量輔助技術的開發：對磁記錄介質施加微波的MAS-MAMR，以及通過加熱介質的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產生。東芝率先提出并開發了雙振蕩型STO，并成功驗證了通過MAS-MAMR效應提升記錄能力的效果[1]。雙振蕩型STO通過內部的兩個磁性層協同振蕩，能夠產生最適和MAS-MAMR的微波。為了提高MAS-MAMR的記錄密度，微波的穩定性、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，對于改良STO的設計并進一步實現硬盤的大容量化至關重要。

然而，磁頭結構復雜，安裝在其中的納米級STO難以直接觀察并解析其振蕩狀態。以往通過結合模擬結果和記錄特性等多個間接信息來推測振蕩狀態，但通過直接解析來理解工作機制，已成為更高階技術開發的關鍵。

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本項技術的優點

因此，東芝通過與NIMS的共同研究，開發出可詳細闡明STO振蕩狀態的評估方法。該方法通過引入一種新的評估天線，并從外部向STO發射微波，實現了以往難以完成的振蕩狀態直接評估（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象。同步現象的有無因STO振蕩狀態而異，特別是在雙振蕩型STO所追求的雙振蕩狀態下，該同步現象不會出現。即使在傳統測量中振蕩信號無明顯差異的情況下，該方法也能明確區分雙振蕩狀態與非雙振蕩狀態，從而闡明振蕩狀態（圖2）。根據STO的振蕩狀態，可能會出現多個振蕩信號，但由于可以在頻率層面進行測量，因此可以確定出共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）最佳振蕩狀態的真實頻率。

圖2：利用該評估方法區分雙振蕩型STO的振蕩狀態

雖然磁頭結構復雜，但只有STO會對評估用天線所發出微波產生靈敏的響應，因此可實現對STO進行專門的測量。傳統方法需要準備復雜的配線才能進行精確評估，而本方法只需引入天線即可完成評估。能在數十GHz高頻振蕩下直接識別磁頭內部STO狀態的技術，代表硬盤記錄技術領域的重要創新進展。

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

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未來展望

該方法將促進對STO工作機制的理解， 有助于實現STO的高級設計改良以及共振型微波輔助磁記錄（MAS-MAMR）技術的進一步發展。東芝將繼續開發MAS-MAMR與HAMR兩項技術，加速下一代大容量硬盤的研發，并致力于為快速擴張的數據中心、生成式AI等多樣化的存儲需求提供解決方案。