50 Gb, a może 100 czy 500? Kupując nowy komputer, możemy swobodnie wybierać wielkość jego twardego dysku. W tej dziedzinie w ostatnich latach nastąpił prawdziwy przełom. Mieszczą kilkadziesiąt razy więcej danych niż te same urządzenia z roku np. 1997. Co ważne, rozmiary tych urządzeń wcale nie rosną, a często nawet - maleją. Dzieje się tak dzięki temu, że na tej samej powierzchni twardego dysku umiemy obecnie "upakować" więcej informacji niż kiedyś. Technologię umożliwiającą odczytanie nawet bardzo gęsto zapisanych danych zawdzięczamy odkryciu zjawiska gigantycznego magnetooporu.
Dokonali go właśnie Albert Fert i Peter Gruenberg w końcu lat 80. ubiegłego wieku. Pracujący niezależnie od siebie fizycy badali właściwości tzw. supercienkich kanapek - struktur składających się z kilkudziesięciu (w przypadku Ferta) lub kilku (w przypadku Gruenberga) warstw żelaza przedzielonych chromem. Każda z warstw miała grubość zaledwie kilku atomów. W tak mikroskopowych strukturach można odkryć efekty nieobserwowane w większej skali - tłumaczy DZIENNIK.
Obydwaj uczeni zajmowali się m.in. badaniem oporu elektrycznego takich właśnie struktur. Można więc powiedzieć, że gdy obaj odkryli gwałtowne, nawet 50% zmiany oporu "kanapek" zachodzące pod wpływem zmian zewnętrznego pola magnetycznego, uczynili jeden z pierwszych kroków na drodze do nanotechnologii - sztuki wykorzystywania struktur o rozmiarach atomowych. Ich odkrycie prowadzi nas też ku spintronice - nauce wykorzystującej fakt, że elektrony można sobie wyobrażać jako wirujące miniaturowe magnesy różniące się między sobą spinem, czyli kierunkiem ustawienia w przestrzeni.
Informacja na twardym dysku jest przedstawiona w postaci zakodowanych zer i jedynek. Są nimi obszary o odmiennym kierunku namagnesowania. Tak zapisaną informację odczytuje głowica dysku. Im dokładniej umie odróżnić obszary o różnych kierunkach namagnesowania, tym mniejszą mogą mieć one powierzchnię i tym więcej danych można zapisać na dysku. Dzisiejsze głowice odczytują zmiany namagnesowania dysku dzięki zmianom natężenia płynącego przez nie prądu wywołanym przez zjawisko gigantycznego magnetooporu. Na czym więc ono polega?
Płynący w metalach prąd to strumień poruszających się elektronów. Opór metalu wiąże się z tym, że droga elektronów nie jest idealnie gładka - w trakcie ruchu "obijają" się one o niedoskonałości struktury metalu. W szczególnym rodzaju materiałów zwanych magnetycznymi, np. żelazie, znaczenie ma też fakt, że spin elektronów może być ustawiony równolegle lub przeciwnie do kierunku namagnesowania danego materiału. Opór, jakiemu podlegają elektrony, zależy od tego ustawienia.
Do czego można to zjawisko wykorzystać? Na przykład do stworzenia bardzo pojemnego dysku twardego. Takie urządzenie zbudowane z dwóch warstw materiałów magnetycznych przedzielonych materiałem niemagnetycznych (niewrażliwych na działanie pola magnetycznego) pozwoli na odczytanie informacji niesłychanie gęsto zapisanych na dysku. Można więc na nim zapisywać olbrzymie ilości danych, które odtwarzamy później jako ważne dokumenty lub piosenki z IPoda - pisze DZIENNIK.
Kossut: Dzięki nim powstały twarde dyski
AGNIESZKA SZYMCZAK: Czy odkrycie tegorocznych noblistów, czyli gigantyczny magnetoopór, otworzyło nowe możliwości w nauce ?
PROF. JACEK KOSSUT: To było ważne odkrycie i jestem bardzo zadowolony, że to właśnie Albert Fert i Peter Gruenberg dostali tegorocznego Nobla. Zwłaszcza że Fert to nasz dobry znajomy, który wielokrotnie przyjeżdżał do Polski na organizowane przez mój instytut konferencje. Nasze środowisko docenia ich wkład w rozwój nauki nie tylko dlatego, że wszyscy mamy dzięki ich odkryciom szybsze i pojemniejsze twarde dyski, ale też dlatego, że cała gama pięknych zjawisk fizycznych wyniknęła z ich odkrycia. To był początek badań nad cienkimi warstwami metali o właściwościach magnetycznych, w szczególności różnego rodzaju układów, które doprowadziły do powstania tego, co nazywamy spintroniką.
Na czym polega spintronika?
Wykorzystuje ona fakt, że elektrony oprócz ładunku elektrycznego posiadają również własny moment magnetyczny, który się nazywa w języku fizyków spinem. Do tej pory do przesyłania informacji używane były ładunki elektryczne. Natomiast spinu nikt wcześniej nie próbował wykorzystywać w urządzeniach. Odkrycie Ferta i Gruenberga spowodowało, że ludzie zaczęli kombinować, jak ten spin zaprząc do pracy. Ich doświadczenia pokazały, że to możliwe, bo u podłoża magnetyzmu leżą spiny atomów, z których zbudowany jest metal magnetyczny. Dzięki temu kierunkowi myślenia pojawił się cały szereg badań i wynalazków, jak np. zawory spinowe, które potrafią przepuszczać tylko jeden określony kierunek spinu. Na tej bazie rozwija się nowy dział, tzw. półprzewodnikowa spintronika. W zasadzie nie ma ona jeszcze zastosowań praktycznych, ale jest intensywnie badana.
A co z zastosowaniami praktycznymi odkrycia Ferta i Gruenberga?
Dzięki niemu powstały nowe twarde dyski. Proszę zauważyć, że wyniki tych badań zostały bardzo szybko skomercjalizowane, znalazły zastosowanie w praktyce.
Czy twarde dyski osiągnęły już szczyt swoich możliwości, czy uda się jeszcze zwiększyć ich pojemność?
Nie jestem inżynierem, ale wydaje mi się, że już powoli dochodzimy do granicy ich pojemności. Gigantyczny magnetoopór wykorzystują głównie do odczytu danych. Kiedy głowica przechodzi nad namagnesowaną cząstką substancji znajdującej się na dysku, to przepływa w niej prąd. Gigantyczność magnetooporu oznacza, że można pole magnetyczne (magnesujące dysk) uczynić niezwykle małym i na dodatek zapisanym na mikroskopijnym obszarze, a mimo to dalej będzie możliwy bezbłędny odczyt tego dysku. I raczej w tym może tkwić problem: jak małe mogą być te obszary namagnesowania? Pewnie tu dochodzimy już do granic możliwości. Czy można zwiększyć dokładność odczytu? Pewnie nie ma takiej potrzeby, skoro nie możemy zwiększyć dokładności zapisu. Aczkolwiek istnieją materiały, bardzo ciekawe, które wykazują jeszcze większy, tzw. kolosalny magnetoopór, które są jednak trudne do wytwarzania.
PROF. JACEK KOSSUT jest dyrektorem Instytutu Fizyki PAN
***
Ewolucja twardego dysku
Twardym dyskiem nazywane są typy pamięci, które wykorzystują nośnik magnetyczny do przechowywania danych. Ich pierwowzorem jest tzw. pamięć bębnowa, czyli wirujący walec pokryty warstwą magnetyczną. Pierwszą zbudowaną w Polsce pamięć bębnową zastosowano do obliczeń w komputerze w drugiej połowie lat 50. Jej pojemność wynosiła... 1024 słowa rozmieszczone na 32 ścieżkach. Przez wiele lat twarde dyski nie nadawały się do używania w warunkach domowych. Nie dość, że były niezwykle czułe na wstrząsy oraz zmiany temperatury, to jeszcze miały gigantyczne rozmiary. Pierwszy twardy dysk wyprodukowany w 1955 roku przez IBM ważył tonę i był wielkości szafy gdańskiej. Następne, nieco mniejsze pojawiły się kilka lat później. Mimo że były zminiaturyzowane, zyskały wśród użytkowników wdzięczne miano "pralki". Początek prawdziwej rewolucji nastąpił dopiero w 1980 roku. Wtedy to firma Seagate wypuściła pierwszy twardy dysk współczesnego typu przeznaczony do komputerów domowych. Był wielkości standardowej wówczas dyskietki, tzw. floppy disku, czyli mierzył 13,3 cm, zaś jego pojemność wynosiła - aż 5 MB. Dziś dysk twardy mieści 1GB danych na powierzchni równej monecie 25-centowej. Pierwszy komputer o takiej pojemności był wielkości lodówki i ważył pół tony. Dzięki miniaturyzacji, którą umożliwiły odkrycia tegorocznych noblistów, możemy dziś kupić komputery o niewyobrażalnej 10 lat temu pojemności 500 GB, notebooki o pamięci 250 GB i przenośne odtwarzacze muzyczne mieszczące po 40 tysięcy piosenek.
