Больше данных — больше трат

Практически любое наше действие за компьютером или смартфоном оставляет цифровой след. Наши селфи для Instagram, аудиозаписи «ВКонтакте», посты в Twitter, черновик курсовой на Google Диск, даже статья, которую вы сейчас читаете — все это байты информации, которые хранятся где-то на сервере. Чтобы записать каждый бит, нужна энергия: часть ее тратится собственно на перезапись, часть на паразитный нагрев, а еще часть — на охлаждение серверов, то есть на борьбу с тем самым паразитным повышением температуры материалов. Затраты электричества так велики, что интернет-гиганты строят дата-центры на севере, чтобы не расходовать мегаватты электричества хотя бы на охлаждение. И все равно эксперты прогнозируют, что к 2025 году одна пятая всей мировой энергетики будет работать на хранение и обработку данных.

Самым распространенным способом хранения больших объемов данных по-прежнему остается жесткий магнитный диск HDD. В портативных устройствах он теснится SSD-накопителями, однако старый добрый HDD по-прежнему используется в большинстве стационарных компьютеров, а также в серверных дата-центров. И вряд ли эта дешевая емкая технология в скором времени будет вытеснена с рынка хранения больших данных.

«В жестких дисках, или, как их правильнее назвать, жестких магнитных дисках, мы храним информацию на тонкой пленке магнитного материала, — рассказывает доцент Нового физтеха Университета ИТМО Александра Калашникова. — Намагниченность в таком материале, проще говоря его “северный” и “южный” полюса, может быть ориентирована по-разному. Собственно наши данные, записанные на такой диск, — это набор нанометровых областей, в которых “север” и “юг” меняются местами. Как поменять направление намагниченности в материале? К нему надо поднести другой магнит — это и происходит в стандартном диске. К области диска подносится пишущая головка — по сути дела, маленький соленоид. Через нее мы пускаем ток, и под действием появившегося магнитного поля магнитные полюса нашего материала меняются местами, и тем самым записывается бит информации».

Все бы хорошо, но именно здесь и возникает вопрос энергоэффективности: ток в соленоиде не только создает магнитное поле, но и нагревает катушку электромагнита, что требует еще больших затрат на охлаждение. Не удивительно, что последние 20 лет ученые и инженеры думают над тем, на что бы заменить соленоид в жестком диске.

Лазер вместе с магнитом… или вместо?

Сегодня один из возможных кандидатов на замену магнита в HDD — короткий лазерный импульс. Сама идея использовать лазерное излучение для записи информации имеет давнюю историю. Можно вспомнить CD и DVD-диски, в которых оптическим излучением выжигалась информация. Однако долго стоял вопрос, можно ли применить энергию узконаправленного потока излучения для записи на магнитный носитель.

«В 1996 году в журнале Physical Review Letters вышла статья, которая хотя и не перевернула весь мир, но точно преобразила физику магнетизма, — продолжает Александра Калашникова. — Исследователи показали, что, если вы возьмете тонкую пленку ферромагнитного металла никеля, воздействуете на него сверхкоротким, фемтосекундным, лазерным импульсом, то сможете очень быстро разрушить его намагниченность, не повреждая при этом сам материал. Потом намагниченность восстанавливается тоже достаточно быстро. После этого открытия в течение 11 лет шли споры, можно ли лазерным импульсом не только разрушить, но и перевернуть намагниченность, что необходимо для записи информации. Некоторые утверждали даже, что это невозможно — не хватит энергии. Только в 2007 году мои коллеги из Университета Радбауд показали, что, если взять правильный материал — сплав железа, кобальта и гадолиния, подобрать нужную мощность импульса, то вы можете перевернуть намагниченность без какого-либо магнитного поля — это была новая веха!»

Впрочем, физики до сих пор спорят о том, как именно это работает — сейчас существует как минимум шесть различных теорий, объясняющих феномен оптического переключения намагниченности. Однако факт остается фактом — один импульс при правильных условиях делает «север» магнитного материала «югом», второй — возвращает все на свои места. Теперь ученым и инженерам надо это реализовать на наномасштабе, чтобы с помощью энергии лазерного излучения можно было работать с очень высокой плотностью информации на жестких дисках.

«Тут есть несколько разных проблем. Например, все знают, что свет очень сложно сфокусировать на крайне малой площади, — рассказывает Александра Калашникова. — Луч можно сфокусировать на пятне размером в длину волны, это примерно 500 нанометров, — это очень мало для нашего глаза, но невероятно много для жесткого диска, где размер области хранения одного бита равен примерно 10 нанометрам. Но эту проблему можно преодолеть с помощью таких областей знаний, как фотоника и плазмоника. Можно сфокусировать свет в небольших размерах. Более того, это уже сейчас реализуется в таких технологиях как HAMR»

В технологии HAMR, или термомагнитной записи, информация записывается при помощи магнитного поля, но в помощь ему используется лазерный импульс. За счет этого достигается преимущество в стабильности записи. Дело в том, что нам хочется, чтобы участок, на котором записывается бит, был как можно меньше по площади, чтобы хранить больше информации на одном носителе. Однако, чем меньше площадь, тем больше шанс, что под действием перепада температуры в каком-то месте намагниченность спонтанно изменится. А это приведет к ошибкам в данных. Этого можно избежать, взяв очень стабильный материал, но и записать информацию на нем будет сложнее, для этого надо диск сначала нагреть, для чего и используют лазеры.

«Чтобы сфокусировать свет, в такой технологии используются наноплазмонные антенны, — поясняет Калашникова. — Это металлические наночастицы, на которые светят лазером. Под воздействием лазерного излучения электроны частиц возбуждаются и начинают колебаться с частотой света и фактически переизлучают импульс на наномасштабе. В результате луч лазера у нас будет по-прежнему достаточно большой, но в области, куда направлено переизлучение наночастицы, интенсивность света будет много выше. Потенциально это можно использовать для изменения намагниченности в полностью оптической записи информации в магнитных дисках».

Сегнетоэлектрик вместо ферромагнетика

Однако обзор посвящен не только оптической записи информации в магнитных материалах. Он посвящен более широкой проблеме оптического переключения состояния ферроиков. Ферроики — это материалы, обладающие спонтанным упорядочением — намагниченностью в случае магнитных материалов. Но существуют и другие ферроики. Можем ли мы использовать их?

Действительно, еще одним перспективным направлением в развитии устройств записи и хранения информации является полный или частичный отказ от магнитных накопителей. Например, рассматривается переход к совершенно другим материалам-ферроикам для носителей информации — сегнетоэлектрикам. Точно так же, как ферромагнетики обладают намагниченностью, эти материалы имеют свою собственную электрическую поляризацию без внешних воздействий. То есть, если к такому материалу приложить вольтметр, то он покажет напряжение.

«Ученые давно думают над идеей сделать запись не на магнитном материале, а сегнетоэлектрике, — отмечает исследователь. — С точки зрения макроскопических свойств эти два вида материалов очень похожи — есть упорядоченность, магнитная или электрическая, их можно переключать, есть домены, т.е. области с разным направлением намагниченности или поляризации. Таким образом, можно было бы записывать информацию в нанообластях с разными направлениями электрической поляризации. Однако и тут есть ряд проблем. Например, многократные переключения поляризации создает большое напряжение в материале, которое может его разрушить. Плюс, для изменения поляризации нужно подавать напряжение, то есть подключать стационарные электроды, которые сами начинают влиять на поведение сегнетоэлектрика, когда мы имеем дело с нанометровыми толщинами материалов».

Если фемтосекундный лазер способен переключать намагниченность, он, по идее, может менять и поляризацию. Однако долгое время это предположение опытами не подтверждалось. Лишь в 2017 году ученым удалось добиться переключения в сегнетоэлектрике — ниобате лития — с помощью лазера, однако измененное состояние просуществовало в течение очень малого периода времени.

«Судя по всему, сегнетоэлектрики очень тяжело переключить лазерным импульсом, — объясняет Александра Калашникова. — Но есть материалы — мультиферроики, где сосуществует спонтанная поляризация и магнитная упорядоченность одновременно. Например, есть висмутовый феррит, у которого есть и намагниченность, и спонтанная поляризация одновременно, и они связаны друг с другом. Проблема в том, что это свойство проявляется у большинства мультиферроиков лишь при очень низких температурах. Тут нам может помочь технология создания гетероструктур: если мы возьмем нанослой магнетика, потом нанослой сегнетоэлектрика и так далее, то их намагниченность и поляризация будут связаны друг с другом, мы создадим синтетический мультиферроик. Тогда мы сможем, например, светом переключать намагниченность, а та, в свою очередь, будет переключать поляризацию. Пока этого сделать не получилось, нам надо понять, почему».

Новые горизонты

Таким образом, у ученых и инженеров сейчас есть большой выбор направлений для работы. Практически каждое из них сулит большие выгоды, однако результатов, которые совершили бы технологическую революцию в области хранения данных, пока достичь не удалось.

«Вот круг проблем, которые мы попытались осветить, показать точку, в которой мы находимся сейчас, и возможные направления, куда мы и наши коллеги можем двигаться дальше. Также мы провели аналогии между оптомагнитной записью, которая в лабораторных условиях реализуется уже стабильно, и оптосегнетоэлектрической записью, которую еще предстоит реализовать. Мы хотели показать, какие знания о взаимодействии сверхкоротких лазерных импульсов и магнитных материалов мы можем использовать в работе с сегнетоэлектрическими материалами, а какие нет. Ведь, несмотря на более 20 лет исследований, прошедших с момента демонстрации лазерно-индуцированного сверхбыстрого разрушения намагниченности, фундаментальные основы даже этого процесса по-прежнему не до конца поняты и описаны, не говоря уже о результатах последних работ по сверхбыстрым изменениям в сегнетоэлектриках под действием фемтосекундных лазерных импульсов», — подводит итог Александра Калашникова.

Статья: A.V.Kimel, A.M.Kalashnikova, A.Pogrebna, A.K.Zvezdin, Fundamentals and perspectives of ultrafast photoferroic recording, Physics Reports, Volume 852, April 2020, doi.org/10.1016/j.physrep.2020.01.004.