211service.com
Hard Drive Advance gewinnt den Nobelpreis
Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an zwei Forscher, die eine magnetische Eigenschaft entdeckt haben, die den Weg für die heutigen schnellen und kompakten Festplatten ebnet, die alles ermöglichen, vom iPod bis zu den riesigen Rechenzentren, die als Rückgrat des Internets dienen. Die Entdeckung hat dazu beigetragen, die Datenspeicherdichte um mindestens eine Größenordnung zu verbessern. Und es ebnet den Weg für mehrere experimentelle Technologien, die es noch weiter steigern könnten.
Geschätzte Bits: Diese Festplatte von IBM macht sich, wie die meisten Festplatten heute, einen Effekt zunutze, den die diesjährigen Gewinner des Physik-Romanpreises entdeckt haben.
Albert Fert , wissenschaftlicher Direktor der CNRS-Thales Joint Physics Unit in Frankreich, und Peter Grünberg , kürzlich im Ruhestand als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungszentrum Jülich in Deutschland, entdeckte 1988 unabhängig die Eigenschaft, die Fert Giant Magnetoresistance (GMR) nannte von Detektoren, die zum Lesen von Informationsbits verwendet werden. Innerhalb von 10 Jahren nach seiner Entdeckung wurden Festplatten basierend auf dem Effekt von IBM kommerzialisiert.
Bevor GMR entdeckt wurde, waren Festplatten von einem Phänomen namens Magnetowiderstand abhängig, das seit weit über 100 Jahren bekannt war. Beim Magnetowiderstand ändert ein Magnetfeld den elektrischen Widerstand in einem Material und verursacht messbare Änderungen des elektrischen Stroms. Bei Festplatten wurde diese Eigenschaft verwendet, um Informationsbits zu erkennen – Bereiche auf einer Festplatte, die in eine von zwei Richtungen magnetisiert wurden. Wenn der Kopf einen solchen Bereich überquert, ändert sein Magnetfeld einen im Kopf fließenden Strom und registriert a eins oder ein 0 . Die Technologie stieß jedoch auf Probleme, als die Speicherdichte zunahm und die Forscher Wege entwickelten, um immer kleinere Bits zu schreiben. Herkömmliche Sensoren fanden es immer schwieriger, die auf einer Festplatte gespeicherten magnetischen Bits zu erkennen, sagt David awschalom , Professor für Physik an der University of California Santa Barbara. Die Industrie stand vor dieser Mauer. Wie bringt man mehr Informationen auf eine Diskette und liest sie trotzdem?
Die Entdeckung von Fert und Grünberg führte zu neuen Sensoren, die eine riesige Änderung des elektronischen Widerstands zeigen, wenn sie auf ein Magnetfeld treffen. Diese größere Änderung machte es möglich, kleinere Bits zu erkennen, was es praktisch machte, viel mehr davon auf eine Platte zu packen. Aus diesem Grund haben wir alle vor einigen Jahren einen sehr starken Anstieg der Speicherdichte auf unseren Festplatten erlebt, sagt Awschalom. Es hat den Verbraucher sehr getroffen.
Der Riesenmagnetwiderstandseffekt hängt von einer quantenmechanischen Eigenschaft von Elektronen ab, die als Spin bezeichnet wird und mit den magnetischen Eigenschaften eines Materials zu tun hat. Ein elektronischer Strom umfasst Elektronen mit zwei Arten von Spin, die nach oben oder unten bezeichnet werden. Ebenso können magnetische Materialien in verschiedene Richtungen magnetisiert werden, die auch nach oben und unten aufgerufen werden können. Wie leicht sich ein Elektron durch ein magnetisches Material bewegen kann, hängt von seinem Spin ab. Wenn der Spin eines Elektrons hoch ist, bewegt es sich frei durch einen nach oben gerichteten Magneten, stößt jedoch in einem nach unten gerichteten Magneten auf Widerstand. Das Down-Spin-Elektron verhält sich genau umgekehrt.
Fert und Grünberg machten sich dieses Verhalten zunutze, indem sie zwei Materialschichten kombinierten, eine nach oben und eine nach unten magnetisiert. Anschließend legten sie ein Magnetfeld an, das beide in die gleiche Richtung magnetisierte, und beobachteten, wie sich dies auf den durch die Schichten fließenden Strom auswirkte. Sie fanden heraus, dass, wenn beide Schichten in die gleiche Richtung orientiert sind, mindestens eine Elektronensorte frei passieren kann. Wenn sie jedoch in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, stoßen beide Arten von Elektronen auf Widerstand, was zu einem starken Stromabfall führt. Da der Effekt groß ist, erzeugt das Magnetfeld selbst eines winzigen Bits ein wahrnehmbares Signal, das es ermöglicht, kleinere Bits zu erkennen.
Die Entdeckung erregte bald die Aufmerksamkeit von Forschern auf der ganzen Welt wegen ihres Potenzials zur Verbesserung von Festplatten. Stuart Parkin, ein Wissenschaftler bei IBM Research, entdeckte, dass der Effekt mit viel schnelleren und billigeren Methoden erzielt werden kann als die von Fert und Grünberg. In der Zwischenzeit mussten mehrere andere Technologien entwickelt werden, um den riesigen Magnetowiderstand zu nutzen, einschließlich Techniken zum Schreiben kleinerer Bits und zum präziseren Bewegen der Lese-/Schreibköpfe. Eine Schlüsselentdeckung der IBM-Forscher war eine neue Anordnung magnetischer Schichten, die es ermöglichte, den Effekt mit kleinen Magnetfeldern zu erzeugen und in den winzigen Schreib-/Leseköpfen von Festplatten einzusetzen.
Das erste auf GMR basierende Festplattenlaufwerk, eine 16-Gigabyte-Festplatte von IBM, erschien 1997. In den nächsten 10 Jahren führte die Technologie zu 1.000-Gigabyte-Festplatten (ein Terabyte), sagt John Best , jetzt Cheftechnologe bei Hitachi Global Storage Technologies in San Jose, Kalifornien. Er leitete die Gruppe bei IBM, die die erste Lese-/Schreibkopftechnologie auf Basis von GMR entwickelte. (Die neuesten dieser Festplatten nutzen einen verwandten Effekt namens Tunnel-Magnetowiderstand; wie GMR verwendet sie magnetische Schichten, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, aber sie ist noch empfindlicher.)
Der GMR-Effekt könnte der Schlüssel zu mehreren weiteren Generationen von Speichergeräten sein, sagt Best. Während Forscher neue Methoden entwickeln, um mehr Bits auf eine Festplatte zu packen, was zu Festplatten führt, die möglicherweise 50-mal so dicht sind wie die heute verfügbaren, wird GMR-bezogene Technologie weiterhin verwendet, um diese Bits zu erkennen, sagt er. Die Eigenschaft ist auch für neue Arten von Geräten entscheidend, darunter magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM), der wie Flash-Speicher nichtflüchtig, aber schneller und zuverlässiger ist. Eine andere experimentelle Technologie namens Racetrack-Speicher, die jetzt von Parkin entwickelt wird, verwendet einen neuartigen Speicherbit, der jedoch immer noch mit einem GMR-basierten Gerät gelesen werden könnte, sagt er. Racetrack-Speicher könnte schließlich die besten Eigenschaften von Festplatten, Flash-Laufwerken und konventionellem Arbeitsspeicher vereinen und als universelles Speichergerät dienen. (Siehe A Better Memory Chip und IBM Versuche, den Speicher neu zu erfinden.)
Tatsächlich wies das Nobelkomitee bei der Preisverleihung auf die weitreichende Bedeutung der GMR für die Erschließung der neuen Wissenschaft der Spintronik hin, in der sowohl die Ladung als auch der Spin von Elektronen manipuliert werden. Die Entdeckung, die der Ausschuss als einen der ersten Erfolge der Nanotechnologie bezeichnet, ist nun wiederum zu einer treibenden Kraft für neue Anwendungen der Nanotechnologie geworden.