Сотни миллиардов электронных писем в день, десятки часов видео в минуту, сотни тысяч поисковых запросов в секунду — в век цифровых технологий объемы производимой и потребляемой нами информации обычному обывателю сложно оценить даже приблизительно.
Стремительное развитие сферы облачных технологий приводит нас к идее полного отказа от любых физических носителей информации в принципе, а магнитные жесткие диски (HDD) и вовсе начинают сдавать свои позиции на рынке накопителей. Только за последние годы произошло существенное снижение их доли в пользу перехода к твердотельным накопителям (SSD). Однако это вовсе не значит, что магнитные диски превращаются в анахронизм.
«Работа облачных хранилищ основывается как раз на принципах магнитной памяти, до сих пор являющейся наиболее экономически выгодной и энергоемкой, — отмечает Александра Калашникова. — Поэтому необходимо продолжать исследования. Согласно прогнозам, к 2026 году ожидается появление на рынке магнитных дисков с емкостью более 50 ТБ».
Из чего состоит и как работает магнитная память
Ответить на вопрос берется физика. «Магнитная» — значит, нужно магнитное поле. Создавать его можно с помощью соленоида — нескольких витков проводника, по которым пропускается электрический ток. Но существует и еще один способ — постоянные магниты.
Природу этого явления не удавалось объяснить до появления в 20 веке новой науки – квантовой механики. Движущийся вокруг ядра атома электрон образует крохотный виточек тока, совсем как в соленоиде, а его спин служит источником магнитного поля. Объединяясь в группы, атомы могут вести себя по-разному.
Для реализации магнитной памяти интересен особый класс материалов — ферромагнетики. Частицы в них находятся близко друг к другу и складываются особым образом. По сути, они начинают «чувствовать» друг друга — так происходит обменное взаимодействие. В результате магнитные моменты частиц выстраиваются параллельно друг другу, а их сумму (намагниченность) можно измерить в реальном эксперименте. У ферромагнетиков она будет иметь какую-то величину, а у антиферромагнетиков будет равна нулю.
Магнитный бит
Представить информацию в виде традиционной последовательности 0 и 1 при помощи намагниченности позволяет свойство магнитной анизотропии ферромагнетиков. Оно заключается в том, что магнитный момент может быть направлен только вверх (1) или вниз (0).
«Управлять магнитными моментами можно при помощи внешнего магнитного поля: они будут ориентироваться согласно направлению поля и останутся в таком состоянии после его отключения», — комментирует Александра Калашникова.
Так осуществляется запись информации на магнитный носитель. А дальше необходимо считать ее с участка, размеры которого оцениваются нанометрами. Огромный шаг в этом направлении позволило сделать открытие явления гигантского магнитного сопротивления. Оказалось, что от взаимной ориентации намагниченности соседних областей напрямую зависит, будет ли в цепи ток: ориентированы параллельно — сопротивление мало и ток есть, антипараллельно, — наоборот.
Три проблемы магнитной записи
Очередное требование к хранению информации — ее надежная сохранность в течение длительного времени. Математические оценки времени стабильности дают величину порядка тысячи лет. Это много. Но стоит уменьшить размеры бита всего в два раза, и информация будет храниться уже всего две миллисекунды. Попытка компенсировать такое уплотнение за счет размера бита увеличением магнитного поля не подходит — страдает энергоэффективность. Но ученым, как и нам, хочется все и сразу: емкость, стабильность, энергоэффективность. Как? При помощи света!
Дело в том, что с увеличением температуры ферромагнетик становится мягче, и этим можно выгодно воспользоваться. Если при помощи лазерного импульса очень локально нагревать материал и одновременно прикладывать внешнее магнитное поле, то будет реализована термомагнитная запись информации (HAMR) — магнитная запись с подогревом. Требуемая для этого величина магнитного поля станет значительно меньше, а это значит, что энергоэффективность и емкость носителя вырастут.
Быстрее, выше, сильнее
Спортивный интерес присущ и физикам: время переворота магнитного момента по технологии HAMR оценивается в одну наносекунду — это очень медленно. Исследования 2004 года предсказывали недостижимость значений менее двух пикосекунд и лишний раз подогрели ситуацию. Звучит как вызов!
«В науке так всегда: когда делается сильное утверждение о том, что что-то невозможно, то сразу появляется огромное множество людей, стремящихся это опровергнуть, — смеется Александра Калашникова. — Этим мы сейчас и занимаемся».
Решить проблему можно при помощи сверхкоротких — фемтосекундных — лазерных импульсов. Это в миллион раз быстрее, чем в случае термомагнитной записи, работающей в пределах наносекунд. Ряд экспериментов показал, что магнитные среды меняют свойства света и наоборот. В результате такой интересной синергии двух наук — оптики и магнетизма — рождается интересный эффект: термомагнитная запись без магнитного поля как такового.
Такой способ записи и считывания учитывает все проблемы хранения информации и делает это сверхбыстро.
Выйти за пределы
Сейчас исследование носит больше фундаментальный, чем прикладной характер. До реализации предлагаемого способа записи на практике ученым предстоит решить еще ряд сложных, но интересных задач. В частности, преодолеть дифракционный предел, чтобы обеспечивать достаточно высокую плотность записи. И если эту задачу уже можно успешно решать при помощи достижений фотоники, то осуществить превращения ферромагнетиков в антиферромагнетики еще только предстоит.
Ирина Воронцова
