211service.com
Hard-Drive Advance vinder Nobelprisen
Dette års Nobelpris i fysik er blevet givet til et par forskere, der opdagede en magnetisk egenskab, der åbnede vejen for nutidens hurtige og kompakte harddiske, hvilket muliggør alt fra iPods til de massive datacentre, der fungerer som rygraden i internettet. Opdagelsen har hjulpet med at forbedre datalagringstætheden med mindst en størrelsesorden. Og det baner vejen for flere eksperimentelle teknologier, der kan øge det endnu mere.
Prisbelønnede bits: Denne harddisk fra IBM gør, som de fleste harddiske i dag, brug af en effekt opdaget af årets vindere af Romanprisen for fysik.
Albert Fert , videnskabelig direktør ved CNRS-Thales Joint Physics Unit i Frankrig, og Peter Grünberg , der for nylig blev pensioneret som forsker ved Forskningscenter Jülich i Tyskland, opdagede selvstændigt ejendommen, som Fert kaldte giant magnetoresistance (GMR), i 1988. GMR gør det muligt at pakke langt flere oplysninger ind på en harddisk ved at øge følsomheden markant af detektorer, der bruges til at læse informationsbidder. Inden for 10 år efter dets opdagelse, blev harddiske baseret på effekten kommercialiseret af IBM.
Før GMR blev opdaget, var harddiske afhængige af et fænomen kaldet magnetoresistens, som man havde forstået i mere end 100 år. I magnetoresistens ændrer et magnetfelt den elektriske modstand i et materiale, hvilket forårsager målbare ændringer i elektrisk strøm. På harddiske blev denne egenskab brugt til at detektere informationsbits – områder på en disk, der er magnetiseret i en af to retninger. Når hovedet passerer over et sådant område, ændrer dets magnetfelt en strøm, der flyder i hovedet, og registrerer en en eller a 0 . Men teknologien løb ind i problemer, efterhånden som tætheden af hukommelsen steg, og forskere udviklede måder at skrive stadig mindre bits på. Konventionelle sensorer fandt det sværere og sværere at opdage de magnetiske bits, der var gemt på en harddisk, siger David awschalom , professor i fysik ved University of California Santa Barbara. Industrien stod over for denne murstensvæg. Hvordan lægger du mere information på en disk og stadig læser den?
Ferts og Grünbergs opdagelse førte til nye sensorer, der viser en kæmpe ændring i elektronisk modstand, når de støder på et magnetfelt. Denne større ændring gjorde det muligt at detektere mindre bits, hvilket gjorde det praktisk at proppe langt flere af dem ind på en disk. Det er grunden til, at vi alle for et antal år siden oplevede en meget stærk stigning i lagertætheden på vores harddiske, siger Awschalom. Det har ramt forbrugeren i meget høj grad.
Effekten af gigantisk magnetoresistens afhænger af en kvantemekanisk egenskab ved elektroner kaldet spin, som har at gøre med et materiales magnetiske egenskaber. En elektronisk strøm inkluderer elektroner med to typer spin, betegnet op eller ned. På samme måde kan magnetiske materialer magnetiseres i forskellige retninger, som også kan kaldes op og ned. Den lethed, hvormed en elektron kan bevæge sig gennem et magnetisk materiale, afhænger af dens spin. Hvis en elektrons spin er op, vil den bevæge sig frit gennem en op-orienteret magnet, men vil støde på modstand i en nedad magnet. Down-spin-elektronen vil opføre sig lige den modsatte måde.
Fert og Grünberg udnyttede denne adfærd ved at kombinere to lag materiale, et magnetiseret op og et ned. De påførte derefter et magnetfelt, der magnetiserede begge i samme retning og observerede, hvilken effekt dette havde på strømmen, der løber gennem lagene. De fandt ud af, at når begge lag er orienteret i samme retning, kan mindst én type elektron passere frit. Men når de er orienteret i modsatte retninger, møder begge typer elektroner modstand, hvilket forårsager et stort fald i strømmen. Fordi effekten er stor, skaber magnetfeltet fra selv en lille smule et mærkbart signal, der gør det muligt at detektere mindre bits.
Opdagelsen fik hurtigt opmærksomhed fra forskere over hele verden på grund af dens potentiale til at forbedre harddiske. Stuart Parkin, en videnskabsmand ved IBM Research, opdagede, at effekten kunne opnås ved hjælp af meget hurtigere, billigere metoder end dem, der blev brugt af Fert og Grünberg. I mellemtiden skulle flere andre teknologier udvikles for at drage fordel af gigantisk magnetoresistens, herunder teknikker til at skrive mindre bits og til at flytte læse/skrivehovederne mere præcist. En vigtig opdagelse af forskere ved IBM var en ny konfiguration af magnetiske lag, der gjorde det muligt for effekten at blive produceret med små magnetiske felter og brugt i de bittesmå læse-/skrivehoveder på harddiske.
Det første diskdrev baseret på GMR, en 16-gigabyte harddisk lavet af IBM, dukkede op i 1997. I løbet af de næste 10 år førte teknologien til 1.000-gigabyte (en-terabyte) harddiske, siger John Best , nu chefteknolog hos Hitachi Global Storage Technologies i San Jose, CA. Han ledede gruppen hos IBM, der udviklede den første læse-/skrivehovedteknologi baseret på GMR. (De seneste af disse harddiske gør brug af en beslægtet effekt kaldet tunneling magnetoresistens; ligesom GMR gør den brug af magnetiske lag orienteret i modsatte retninger, men den er endnu mere følsom.)
GMR-effekten kan være nøglen til flere generationer af hukommelsesenheder, siger Best. Efterhånden som forskere udvikler nye måder at pakke flere bits på en harddisk, hvilket fører til diske, der potentielt er 50 gange så tætte som dem, der er tilgængelige i dag, vil GMR-relateret teknologi fortsat blive brugt til at detektere disse bits, siger han. Egenskaben er også afgørende for nye typer enheder, herunder magnetisk tilfældig adgangshukommelse (MRAM), som er ikke-flygtig ligesom flashhukommelse, men hurtigere og mere pålidelig. En anden eksperimentel teknologi kaldet racerbanehukommelse, som nu udvikles af Parkin, bruger en ny type hukommelsesbit, men en der stadig kunne læses ved hjælp af en GMR-baseret enhed, siger han. Væddeløbsbanehukommelsen kunne i sidste ende kombinere de bedste funktioner fra harddiske, flashdrev og konventionel random access memory, der tjener som en universel hukommelsesenhed. (Se En bedre hukommelseschip og IBMs forsøg på at genopfinde hukommelsen.)
I forbindelse med tildelingen af prisen pegede Nobelkomiteen på den vidtrækkende betydning af GMR for at åbne op for den nye videnskab om spintronik, hvor både ladningen og spin af elektroner manipuleres. Opdagelsen, som udvalget betegner som en af nanoteknologiens første gevinster, er til gengæld nu blevet en drivkraft for nye anvendelser af nanoteknologi.