211service.com
Hard-Drive Advance vinner Nobelpriset
Årets Nobelpris i fysik har tilldelats ett par forskare som upptäckte en magnetisk egenskap som öppnade vägen för dagens snabba och kompakta hårddiskar, som möjliggör allt från iPods till de enorma datacenter som fungerar som ryggraden i Internet. Upptäckten har hjälpt till att förbättra datalagringstätheten med åtminstone en storleksordning. Och det banar väg för flera experimentella teknologier som skulle kunna öka den ännu mer.
Prisade bitar: Denna hårddisk från IBM, som de flesta hårddiskar idag, använder sig av en effekt som upptäckts av årets vinnare av Novel Prize for Physics.
Albert Fert , vetenskaplig chef vid CNRS-Thales Joint Physics Unit i Frankrike, och Peter Grünberg , nyligen pensionerad som forskare vid forskningscentret Jülich i Tyskland, upptäckte självständigt egenskapen, som Fert kallade giant magnetoresistance (GMR), 1988. GMR gör det möjligt att packa mycket mer information på en hårddisk genom att avsevärt öka känsligheten av detektorer som används för att läsa informationsbitar. Inom 10 år efter upptäckten kommersialiserades hårddiskar baserade på effekten av IBM.
Innan GMR upptäcktes var hårddiskar beroende av ett fenomen som kallas magnetoresistance, som man hade förstått i över 100 år. I magnetoresistans ändrar ett magnetfält det elektriska motståndet i ett material, vilket orsakar mätbara förändringar i elektrisk ström. På hårddiskar användes den här egenskapen för att upptäcka informationsbitar – regioner på en disk som har magnetiserats i en av två riktningar. När huvudet passerar över ett sådant område ändrar dess magnetfält en ström som flyter i huvudet och registrerar en ett eller a 0 . Men tekniken stötte på problem när minnets täthet ökade och forskare utvecklade sätt att skriva allt mindre bitar. Konventionella sensorer fick svårare och svårare att upptäcka de magnetiska bitarna som lagrats på en hårddisk, säger David awschalom , professor i fysik vid University of California Santa Barbara. Industrin stod inför den här tegelväggen. Hur lägger man mer information på en disk och ändå läser den?
Ferts och Grünbergs upptäckt ledde till nya sensorer som visar en enorm förändring i elektroniskt motstånd när de möter ett magnetfält. Denna större förändring gjorde det möjligt att detektera mindre bitar, vilket gjorde det praktiskt att stoppa in mycket fler av dem på en disk. Det är anledningen till att vi alla för ett antal år sedan såg en mycket stark ökning av lagringstätheten i våra hårddiskar, säger Awschalom. Det har drabbat konsumenten på ett väldigt stort sätt.
Effekten av jättemagnetoresistans beror på en kvantmekanisk egenskap hos elektroner som kallas spinn, som har att göra med ett materials magnetiska egenskaper. En elektronisk ström inkluderar elektroner med två typer av spinn, betecknade uppåt eller nedåt. På liknande sätt kan magnetiska material magnetiseras i olika riktningar, som också kan kallas upp och ner. Den lätthet med vilken en elektron kan röra sig genom ett magnetiskt material beror på dess spin. Om en elektrons spinn är uppåt, kommer den att röra sig fritt genom en uppåtriktad magnet men kommer att stöta på motstånd i en nedåtgående magnet. Nedsnurrande elektronen kommer att bete sig precis tvärtom.
Fert och Grünberg utnyttjade detta beteende genom att kombinera två lager av material, ett magnetiserat uppåt och ett nedåt. De applicerade sedan ett magnetfält som magnetiserade båda i samma riktning och observerade effekten detta hade på strömmen som gick genom lagren. De fann att när båda skikten är orienterade i samma riktning kan åtminstone en typ av elektron passera fritt. Men när de är orienterade i motsatta riktningar möter båda typerna av elektroner motstånd, vilket orsakar ett stort strömfall. Eftersom effekten är stor skapar magnetfältet från ens en liten bit en urskiljbar signal, vilket gör det möjligt att detektera mindre bitar.
Upptäckten fick snart uppmärksamhet från forskare runt om i världen på grund av dess potential för att förbättra hårddiskar. Stuart Parkin, en forskare vid IBM Research, upptäckte att effekten kunde uppnås med mycket snabbare, billigare metoder än de som Fert och Grünberg använder. Samtidigt var flera andra teknologier tvungna att utvecklas för att dra fördel av gigantisk magnetresistans, inklusive tekniker för att skriva mindre bitar och för att flytta läs/skrivhuvudena mer exakt. En viktig upptäckt av forskare vid IBM var en ny konfiguration av magnetiska lager som gjorde det möjligt för effekten att produceras med små magnetfält och användas i de små läs-/skrivhuvudena på hårddiskar.
Den första hårddisken baserad på GMR, en hårddisk på 16 gigabyte tillverkad av IBM, dök upp 1997. Under de kommande 10 åren ledde tekniken till 1 000 gigabyte (en terabyte) hårddiskar, säger John Best , nu chefsteknolog på Hitachi Global Storage Technologies i San Jose, CA. Han ledde gruppen på IBM som utvecklade den första läs-/skrivhuvudteknologin baserad på GMR. (Den senaste av dessa hårddiskar använder sig av en relaterad effekt som kallas tunnelmagnetoresistans; som GMR använder den magnetiska lager orienterade i motsatta riktningar, men den är ännu känsligare.)
GMR-effekten kan vara nyckeln till flera generationer av minnesenheter, säger Best. Eftersom forskare utvecklar nya sätt att packa fler bitar på en hårddisk, vilket leder till diskar som potentiellt är 50 gånger så täta som de som finns tillgängliga idag, kommer GMR-relaterad teknik att fortsätta att användas för att upptäcka dessa bitar, säger han. Egenskapen är också avgörande för nya typer av enheter, inklusive magnetiskt random access memory (MRAM), som är icke-flyktigt som flashminne, men snabbare och mer tillförlitligt. En annan experimentell teknik som kallas racerbaneminne, som nu utvecklas av Parkin, använder en ny typ av minnesbit, men en som fortfarande kan läsas med en GMR-baserad enhet, säger han. Racetrack-minne skulle så småningom kunna kombinera de bästa egenskaperna hos hårddiskar, flash-enheter och konventionella random access-minnen, vilket fungerar som en universell minnesenhet. (Se Ett bättre minneschip och IBMs försök att återuppfinna minnet.)
I själva verket pekade Nobelkommittén vid prisutdelningen på den vidsträckta betydelsen av GMR för att öppna upp den nya vetenskapen om spintronik, där både laddningen och spinn av elektroner manipuleras. Upptäckten, som kommittén beskriver som en av nanoteknikens första vinster, har i sin tur nu blivit en drivkraft för nya tillämpningar av nanoteknik.