Průlom: Magnetické harddisky vstupují na úroveň jednotlivých atomů  
Švýcarští fyzici postavili a vyzkoušeli přepisovatelnou paměť, která používá jednoatomové magnety z atomů holmia.

 

Harddisk. Kredit: CC0 Public Domain.
Harddisk. Kredit: CC0 Public Domain.

Když chcete vyrobit menší magnety, tak to není tak těžké. Stačí prostě rozpůlit magnet a hned máte dva poloviční magnety. Rozpůlíte je ještě jednou a dostanete čtyři čtvrtinové magnety. Tento postup má ale háček. Čím menší magnety jsou, obvykle jsou tím méně stabilní. Jejich magnetická pole mají stále větší tendenci převracet svou polaritu. Teď ale vědci úspěšně vyvinuli a také vyzkoušeli stabilní magnety z jediného atomu.

 

Fabian Natterer. Kredit: EPFL.
Fabian Natterer. Kredit: EPFL.

Průlomovou studii, kterou uveřejnil časopis Nature, má na svědomí tým, který vedl fyzik Fabian Natterer ze Spolkové vysoké technické školy ve švýcarském Lausanne (EPFL). S kolegy postavili jednoduchý, ale funkční atomární harddisk s přepisovatelnou pamětí, do něhož zabudovali jednoatomové magnety. Zařízení sice obsahuje jenom dva takové jednoatomové magnety, ale kapacitu atomárního harddisku bude podle Natterera možné mnohonásobně zvýšit. Podle fyzika Sandera Otteho z nizozemské Delft University of Technology je to skutečně průlom. Konečně jsme teď doložili, že i jednotlivý atom může být magneticky stabilní.


Ve vnitřnostech běžného harddisku je disk, rozdělený na magnetizované oblasti. Každá z nich funguje jako maličký magnet, jehož pole svou orientací vyjadřuje hodnotu jednoho bitu, tedy „0“ nebo „1“. Čím menší tyto magnetizované oblasti jsou, tím více se jich na disk vejde. Musejí být ale stabilní, aby se samovolně nepřepínaly mezi „0“ a „1“. Jeden bit současných komerčně dostupných harddisků zahrnuje kolem 1 milionů atomů. V experimentech vědci v roce 2012 dosáhli velikosti 1 bitu odpovídající 12 atomům, teď to dotáhli na jeden jediný atom. Natterer a jeho kolegové použili atomy holmia (Ho), prvku ze skupiny lanthanoidů, který se vzhledem k příznivým vlastnostem využívá například při výrobě silných permanentních magnetů. Holmium umístili na substrát z oxidu hořečnatého, za ultrachladné teploty nižší než 5 kelvinů.

 

Vzorek pevného holmia. Kredit: Paginazero / Wikimedia Commons.
Vzorek pevného holmia. Kredit: Paginazero / Wikimedia Commons.

Holmium je obzvláště vhodné pro takový výzkum. Jeho atomy totiž obsahují nepárové elektrony, které mohou vytvořit silné magnetické pole, a když jsou odstíněny od vlivu okolí, tak obíhají blízko atomového jádra. Díky tomu mohou atomy holmia vytvořit nejen silné, ale stabilní magnetické pole. Má to ale i stinnou stránku. Holmium je díky tomu dost netečné. Mnozí vědci pochybovali, že je vůbec možné spolehlivě určit konkrétní stav jeho atomů.

 

École polytechnique fédérale de Lausanne.
École polytechnique fédérale de Lausanne.

Nattererův tým zapsal data do atomů holmia s pomocí pulzů elektrického proudu z magnetizovaného hrotu řádkovacího tunelového mikroskopu, které mohou změnit orientaci magnetického pole jednoatomového magnetu. Následné testy ukázaly, že tyto magnety jsou dost stabilní. V experimentech se ani jednou nestalo, že by se jednoatomový magnet sám přepóloval. Vědci zároveň potvrdili, že data uložená v takovém materiálu je možné přečíst. K tomu použili atom železa coby magnetický senzor.


To, že lze k ukládání dat použít jednoatomové magnety, by časem mohlo naprosto radikálně zvýšit hustotu ukládání dat. Natterer s kolegy už na tom pracují a vyvíjejí materiál s velkým počtem jednoatomových magnetů. V tuto chvíli existují i konkurenční technologie ukládání dat ve výjimečně hustotě, magnetický systém má ale některé výhody. Mohl by například být kompatibilní se spintronikou, vyvíjenou technologií, která pracuje s informací v podobě spinu elektronů. V dohledné budoucnosti o jednoatomových magnetech ještě určitě uslyšíme.

Literatura
Nature News 8. 3. 2017, Nature 543: 226-228.

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 10.03.2017
Tisk článku

Disk 19/2007 -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 20 Kč
cena: 17 Kč
Disk 19/2007

Související články:

Průlom v technologii kvantového harddisku     Autor: Stanislav Mihulka (10.01.2015)
Věčné 5D optické disky mohou zaznamenat celou historii lidstva     Autor: Stanislav Mihulka (17.02.2016)
Do nejmenšího harddisku světa se zapisuje atom po atomu     Autor: Stanislav Mihulka (21.07.2016)



Diskuze:

Magnety na úrovni atomu.

Jaroslav Červinka,2017-03-14 12:24:16

Magnety na úrovni atomu.

Citace. „Zařízení sice obsahuje jenom dva takové jednoatomové magnety, ale kapacitu atomárního harddisku bude podle Natterera možné mnohonásobně zvýšit. Podle fyzika Sandera Otteho z nizozemské Delft University of Technology je to skutečně průlom. Konečně jsme teď doložili, že i jednotlivý atom může být magneticky stabilní.“
Pro čtenáře bude asi zajímavé, že poznatky vědců ve Švýcarsku a Holandsku potvrzují výsledky teoretické práce skupiny vědců z Brna kolem prof. Pavla Ošmery z VUT v Brně, kteří rozpracovali revoluční strukturální elektromagnetické modely jednotlivých atomů. Pravděpodobně se o tuto problematiku budou zajímat studenti a vědci fyzikální chemie, proto doporučuji těmto lidem prostudovat modely atomů podle týmu Ošmery, tak jak jsou zveřejněny na Internetu. Na modelech atomu, např. železa, je nádherně vidět jak uspořádání elektronů v atomech vytváří přesně lokalizované domény magnetismu. Takže předpoklad stability magnetizmu atomů je brněnským vědců již mnoho let známý. Bohužel v České republice nevyužit.
Je velkou škodou pro vědu a ekonomiku v České republice, že nedovede pracovat s vědeckým potenciálem českých vědců. Ti pak jen se závistí mohou sledovat, jak jsou marněny jejich šance.

Odpovědět

Způsob záznamu máte blbě

Drahomír Strouhal,2017-03-10 11:25:33

V počítači se jednička vede signálem zvýšeného napětí. V HDD to tedy funguje tak, že nula je nezměna polarity a jednička je změna polarity, která indukuje proud. Bity tedy nejsou vysloveně záznamy na plotně, ale něco mezi nimi - změna a nezměna. Po indukci tedy stačí jen signál zesílit a voilá, máme přenos.

Abych ještě opravil pana Vašků, disk pozná, kde jsou nuly, i když nedochází ke změně polarity, protože na začátku každého sektoru je synchronizační oblast střídajících se jedniček a nul, která nastaví hodiny, které tikají při čtení. Je to kvůli nestabilní rychlosti disku, která se neustále mění z fyzikálních důvodů - indukcí se zahřívá hlavička a plotna, mění se délka hlavičky, průměr disku, fluktuuje napětí na elektromotoru a tím pádem se mění otáčky disku.
Díky tomuto hodinovému signálu je schopen analogově-digitální převodník rozsekat signál na úseky a v nich oddělit jednotlivé bity, které nahraje do cache.

Odpovědět


Re: Způsob záznamu máte blbě

Pája Vašků,2017-03-10 11:53:42

Děkuji za doplnění. Mluvíme v podstatě o tom samém. Já jen psal, že kdyby právě toto nebylo takto chytře ošetřeno, tak by ty bity od sebe nepoznal.

Odpovědět


Re: Re: Způsob záznamu máte blbě

Drahomír Strouhal,2017-03-10 12:35:47

Asi jo. Zmátlo mě to přičítání a odečítání bitů. Pro mě prostě bity jsou a ty mají stav.

Odpovědět


Re: Re: Re: Způsob záznamu máte blbě

Pája Vašků,2017-03-10 13:54:59

Vysvětlím. Data se nezapisují bit po bitu ve formě jako jsou v datových souborech, ale prochází to hw komresí a hlavně tím enkódováním, kde se hraje se změnou polarity (hranou), než stavem polarity a kde se data přizpůsobují časovému signálu s pravidelnou změnou, jak jsem se snažil naznačit. Jde o frekvenční modulace (MFM a novější RLL). Pochopitelně existuje spousta variant dle výrobce. Měl jsem na mysli toto:

http://www.tomshardware.com/reviews/hard-drive-magnetic-storage-hdd,3005-5.html

http://www.tomshardware.com/reviews/hard-drive-magnetic-storage-hdd,3005-6.html


Pak se tu ještě mluvilo o Zoned Bit Recording (http://www.pcguide.com/ref/hdd/geom/tracksZBR-c.html) a nemělo by se zapomenout ani na techniku prokládání sektorů při zápisu. Než se zapíše něco na harddisk, je to docela věda.

Odpovědět

Martin Zink,2017-03-10 10:44:36

Když si představím aplikaci v HardDisku tak to nevidím tak růžově.
Na HDD jsou data zapisována v soustředných kruzích rozdělených
na sektory. A protože záznamy v magnetickém materiálu mají chrakter
magnetických změn tak se chovají jako magnety a tedy se přitahují
a odpuzují stejně jako magnety. Jinými slovy cestují po povrchu
megnetické plochy. Elektronika v HDD respektive software s tím počítá
a informaci dříve uloženou ví kde má hledat. A jednotlivé
soustředné kruhy záznamu jsou navíc dostatečně široké a dost daleko
od sebe aby se významě neposouvaly stranově. V případě ekvivalentního
souvislého záznamu po jednom atomu nemusí být úplně jasné kde
informaci hledat. Ale mechanismus záznamu a čtení dat použitý v HDD
stačí změnit za jiný (třeba optický) (fotony nebo elektrony zobrazovat
změny v mag. poli) a hned to dává jiný smysl.

Odpovědět

Pája Vašků,2017-03-10 09:38:15

No ony se ty 1 a 0 na ten disk nezapisují tak jak jsou v souborech. To by pak ze sekvence několika po sobě jdoucích nul nebo jedniček byl disk zmatený a nepoznal, kolik jich je. Ona se proto totiž používá jistá nosná frekvence, do které se se ty bity přičítají nebo odečítají a zaznamenává se až ten výsledný signál. A když je třeba přečíst nějaký konkrétní byte, tak se na tom disku nehledá ten byte, ale přečte se celý sektor, kde asi je a pak si ho tam sw v té celé sekvenci teprve najde a ještě si stihne zkontrolovat kontrolní součty a další bezpečnostní maličkosti a rozhonot se, zda není třeba přečíst stopu ještě dvakrát, pro jistotu. Mít jednoatomvý magnet na disku není třeba, hlavně proto, že stačí, aby by atomy byly hezky pod sebou a pořád bude mít nejmenší možný rozměr na ploše. Objev je to zajímavý, nějakou aplikaci najde, ale v HDD to neuvidíme. Není to potřeba, patrně byto nebylo spolehlivé a od HDD očekáváme, že udrží data řadu let, nebo desítky let a nebudeme spoléhat, že se magnet samovolně převrátí, nebo ho popostrčí nějaké záření ap.

Odpovědět

Stabilita

Alexandr Kostka,2017-03-10 08:04:49

A bude to stabilní i v případě, že vedlejší atom (též holmia) bude též zmagnetizovaný a mít jinou hodnotu? Nemluvě o zápisu, magnetické pole tak intenzivní že "překlopí" atom a současně nepohne dalšími okolo?

PS: i dnešní disky už data v podstatě nečtou, ale přesně odhadují ze záznamu, kontrolního součtu a algoritmů k detekci chyb.

PPS: stejně největší objem dat představuje obraz a(nebo) zvuk. A tam je náhodná změna jednoho jediného bitu tak nepatrná, že jí ani nezaznamenáte.

Odpovědět

Čtecí atom musí přesně vědět kde oba atomy relativně jsou a pohotově na to reagovat a navíc číst a obnovovat (a zesilovat) a být dobře vychlazen i s diskem

Josef Hrncirik,2017-03-10 07:39:02

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni