Hard-Drive Advance získává Nobelovu cenu

Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena dvojici výzkumníků, kteří objevili magnetickou vlastnost, která otevřela cestu dnešním rychlým a kompaktním pevným diskům, umožňujícím vše od iPodů po masivní datová centra, která slouží jako páteř internetu. Tento objev pomohl zlepšit hustotu ukládání dat alespoň o řád. A připravuje půdu pro několik experimentálních technologií, které by ji mohly ještě zvýšit.

Oceněné kousky: Tento pevný disk od IBM, stejně jako většina dnešních pevných disků, využívá efekt, který objevili letošní vítězové Novel Prize za fyziku.

Albert Fert , vědecký ředitel CNRS-Thales Joint Physics Unit ve Francii, a Petr Grünberg , nedávno v důchodu jako vědecký pracovník ve Výzkumném centru Jülich v Německu, nezávisle objevil vlastnost, kterou Fert nazval obří magnetorezistence (GMR), v roce 1988. GMR umožňuje zabalit mnohem více informací na pevný disk výrazným zvýšením citlivosti detektorů používaných ke čtení bitů informací. Během 10 let od svého objevu byly pevné disky založené na tomto efektu komercializovány společností IBM.

Před objevením GMR závisely pevné disky na jevu zvaném magnetorezistence, který byl známý již více než 100 let. V magnetorezistenci magnetické pole mění elektrický odpor v materiálu, což způsobuje měřitelné změny elektrického proudu. U pevných disků byla tato vlastnost použita k detekci bitů informací – oblastí na disku, které se zmagnetizovaly v jednom ze dvou směrů. Když hlava prochází přes takovou oblast, její magnetické pole mění proud tekoucí v hlavě a registruje a jeden nebo a 0 . Ale tato technologie narazila na problémy, protože hustota paměti se zvýšila a výzkumníci vyvinuli způsoby, jak zapisovat stále menší bity. Pro konvenční senzory bylo stále těžší detekovat magnetické bity uložené na pevném disku, říká David awschalom , profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře. Průmysl stál čelem k této cihlové zdi. Jak vložíte více informací na disk a přesto si je přečtete?

Fertův a Grünbergův objev vedl k novým senzorům, které ukazují obrovskou změnu elektronického odporu, když narazí na magnetické pole. Tato větší změna umožnila detekovat menší bity, takže je praktické jich na disk nacpat mnohem více. To je důvod, proč jsme před mnoha lety všichni zaznamenali velmi silný nárůst hustoty úložiště na našich pevných discích, říká Awschalom. Zasáhlo spotřebitele velmi velkým způsobem.

Efekt obří magnetorezistence závisí na kvantově-mechanické vlastnosti elektronů zvané spin, která souvisí s magnetickými vlastnostmi materiálu. Elektronický proud zahrnuje elektrony se dvěma typy rotace, označené nahoru nebo dolů. Podobně mohou být magnetické materiály magnetizovány v různých směrech, které lze také vyvolávat nahoru a dolů. Snadnost, s jakou se elektron může pohybovat magnetickým materiálem, závisí na jeho spinu. Pokud je rotace elektronu nahoru, bude se volně pohybovat nahoru orientovaným magnetem, ale narazí na odpor v dolním magnetu. Down-spin elektron se bude chovat přesně opačně.

Fert a Grünberg využili tohoto chování kombinací dvou vrstev materiálu, jedné magnetizované nahoru a druhé dolů. Poté aplikovali magnetické pole, které magnetovalo oba ve stejném směru, a pozorovali účinek, který to mělo na proud procházející vrstvami. Zjistili, že když jsou obě vrstvy orientovány stejným směrem, alespoň jeden typ elektronu může volně procházet. Ale když jsou orientovány v opačných směrech, oba typy elektronů narazí na odpor, což způsobí velký pokles proudu. Protože efekt je velký, magnetické pole i z nepatrného kousku vytváří rozeznatelný signál, což umožňuje detekovat menší kousíčky.

Tento objev si brzy získal pozornost výzkumníků po celém světě kvůli jeho potenciálu pro vylepšení pevných disků. Stuart Parkin, vědec z IBM Research, zjistil, že efektu lze dosáhnout mnohem rychlejšími a levnějšími metodami, než jaké používali Fert a Grünberg. Mezitím bylo třeba vyvinout několik dalších technologií, aby bylo možné využít výhodu obrovské magnetorezistence, včetně technik pro zápis menších bitů a pro přesnější pohyb čtecích/zapisovacích hlav. Klíčovým objevem výzkumníků z IBM byla nová konfigurace magnetických vrstev, která umožnila vytvořit efekt pomocí malých magnetických polí a použít jej v malých čtecích/zápisových hlavách pevných disků.

První disková jednotka založená na GMR, 16gigabajtový pevný disk vyrobený společností IBM, se objevila v roce 1997. Během následujících 10 let tato technologie vedla k 1000gigabajtovým (jeden terabajtovým) pevným diskům, říká John Best , nyní hlavní technolog společnosti Hitachi Global Storage Technologies v San Jose, CA. Vedl skupinu v IBM, která vyvinula první technologii čtecí/zápisové hlavy založenou na GMR. (Nejnovější z těchto pevných disků využívá související efekt nazývaný tunelovací magnetorezistence; stejně jako GMR využívá magnetické vrstvy orientované v opačných směrech, ale je ještě citlivější.)

Efekt GMR by mohl být klíčem k několika dalším generacím paměťových zařízení, říká Best. Jak výzkumníci vyvíjejí nové způsoby, jak uložit více bitů na pevný disk, což vede k diskům potenciálně 50krát tak hustým, než jaké jsou dnes dostupné, bude se k detekci těchto bitů i nadále používat technologie související s GMR, říká. Tato vlastnost je také zásadní pro nové typy zařízení, včetně magnetické paměti s náhodným přístupem (MRAM), která je energeticky nezávislá jako flash paměť, ale je rychlejší a spolehlivější. Další experimentální technologie zvaná racetrack memory, kterou nyní vyvíjí Parkin, používá nový typ paměťového bitu, ale ten, který lze stále číst pomocí zařízení založeného na GMR, říká. Paměť Racetrack by nakonec mohla kombinovat nejlepší vlastnosti pevných disků, flash disků a konvenčních pamětí s náhodným přístupem, které by sloužily jako univerzální paměťové zařízení. (Viz Lepší paměťový čip a pokusy IBM znovu objevit paměť.)

Při udělování ceny Nobelova komise skutečně poukázala na široký význam GMR při otevírání nové vědy spintroniky, ve které se manipuluje jak s nábojem, tak se spinem elektronů. Objev, který výbor popisuje jako jeden z prvních přínosů nanotechnologie, se nyní stal hnací silou pro nové aplikace nanotechnologií.

skrýt