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Hard-Drive Advance vince il premio Nobel
Il Premio Nobel per la fisica di quest'anno è stato assegnato a una coppia di ricercatori che hanno scoperto una proprietà magnetica che ha aperto la strada ai dischi rigidi veloci e compatti di oggi, rendendo possibile tutto, dagli iPod agli enormi data center che fungono da spina dorsale di Internet. La scoperta ha contribuito a migliorare la densità di archiviazione dei dati di almeno un ordine di grandezza. E sta aprendo la strada a diverse tecnologie sperimentali che potrebbero aumentarlo ancora di più.
Bit premiati: Questo disco rigido di IBM, come la maggior parte dei dischi rigidi odierni, utilizza un effetto scoperto dai vincitori di quest'anno del Premio romanzo per la fisica.
Albert Fert , direttore scientifico presso CNRS-Thales Joint Physics Unit in Francia, e Peter Grünberg , recentemente in pensione come ricercatore presso il Centro di ricerca Jülich in Germania, ha scoperto in modo indipendente la proprietà, che Fert ha chiamato magnetoresistenza gigante (GMR), nel 1988. GMR rende possibile impacchettare molte più informazioni su un disco rigido aumentando significativamente la sensibilità di rilevatori utilizzati per leggere bit di informazioni. Entro 10 anni dalla sua scoperta, i dischi rigidi basati sull'effetto furono commercializzati da IBM.
Prima che GMR venisse scoperto, i dischi rigidi dipendevano da un fenomeno chiamato magnetoresistenza, che era stato compreso per oltre 100 anni. Nella magnetoresistenza, un campo magnetico altera la resistenza elettrica in un materiale, causando cambiamenti misurabili nella corrente elettrica. Nei dischi rigidi, questa proprietà è stata utilizzata per rilevare bit di informazioni, regioni su un disco che si sono magnetizzate in una delle due direzioni. Quando la testa passa sopra una tale regione, il suo campo magnetico cambia una corrente che scorre nella testa, registrando a uno o un 0 . Ma la tecnologia ha avuto problemi con l'aumento della densità della memoria e i ricercatori hanno sviluppato modi per scrivere bit sempre più piccoli. I sensori convenzionali trovavano sempre più difficile rilevare i bit magnetici memorizzati su un disco rigido, afferma David awschalom , professore di fisica all'Università della California Santa Barbara. L'industria si trovava di fronte a questo muro di mattoni. Come si mettono più informazioni su un disco e si continuano a leggerle?
La scoperta di Fert e Grünberg ha portato a nuovi sensori che mostrano un enorme cambiamento nella resistenza elettronica quando incontrano un campo magnetico. Questa modifica più ampia ha permesso di rilevare bit più piccoli, rendendo pratico stiparne molti di più su un disco. È il motivo per cui alcuni anni fa tutti noi abbiamo visto un forte aumento della densità di archiviazione nei nostri dischi rigidi, afferma Awschalom. Ha colpito il consumatore in un modo molto grande.
L'effetto di magnetoresistenza gigante dipende da una proprietà quantomeccanica degli elettroni chiamata spin, che ha a che fare con le proprietà magnetiche di un materiale. Una corrente elettronica include elettroni con due tipi di spin, designati verso l'alto o verso il basso. Allo stesso modo, i materiali magnetici possono essere magnetizzati in diverse direzioni, che possono anche essere richiamate su e giù. La facilità con cui un elettrone può muoversi attraverso un materiale magnetico dipende dal suo spin. Se lo spin di un elettrone è alto, si muoverà liberamente attraverso un magnete orientato verso l'alto ma incontrerà resistenza in un magnete verso il basso. L'elettrone con spin verso il basso si comporterà esattamente nel modo opposto.
Fert e Grünberg hanno sfruttato questo comportamento combinando due strati di materiale, uno magnetizzato verso l'alto e l'altro verso il basso. Hanno quindi applicato un campo magnetico che magnetizzava entrambi nella stessa direzione e osservato l'effetto che questo aveva sulla corrente che attraversava gli strati. Hanno scoperto che quando entrambi gli strati sono orientati nella stessa direzione, almeno un tipo di elettrone può passare liberamente. Ma quando sono orientati in direzioni opposte, entrambi i tipi di elettroni incontrano resistenza, causando un forte calo di corrente. Poiché l'effetto è grande, il campo magnetico anche da un piccolo bit crea un segnale distinguibile, rendendo possibile rilevare bit più piccoli.
La scoperta ha presto attirato l'attenzione dei ricercatori di tutto il mondo a causa del suo potenziale per migliorare i dischi rigidi. Stuart Parkin, uno scienziato di IBM Research, ha scoperto che l'effetto potrebbe essere ottenuto utilizzando metodi molto più veloci ed economici di quelli utilizzati da Fert e Grünberg. Nel frattempo, è stato necessario sviluppare diverse altre tecnologie per sfruttare la magnetoresistenza gigante, comprese le tecniche per scrivere bit più piccoli e per spostare le testine di lettura/scrittura in modo più preciso. Una scoperta chiave dei ricercatori dell'IBM è stata una nuova configurazione di strati magnetici che ha reso possibile la produzione dell'effetto con piccoli campi magnetici e l'utilizzo nelle minuscole testine di lettura/scrittura dei dischi rigidi.
La prima unità disco basata su GMR, un disco rigido da 16 gigabyte prodotto da IBM, è apparsa nel 1997. Nei successivi 10 anni, la tecnologia ha portato a dischi rigidi da 1.000 gigabyte (un terabyte), afferma John Best , ora capo tecnologo presso Hitachi Global Storage Technologies a San Jose, CA. Ha guidato il gruppo di IBM che ha sviluppato la prima tecnologia di lettura/scrittura basata su GMR. (Il più recente di questi dischi rigidi fa uso di un effetto correlato chiamato magnetoresistenza tunnel; come il GMR, fa uso di strati magnetici orientati in direzioni opposte, ma è ancora più sensibile.)
L'effetto GMR potrebbe essere la chiave per molte altre generazioni di dispositivi di memoria, afferma Best. Man mano che i ricercatori sviluppano nuovi modi per impacchettare più bit su un disco rigido, portando a dischi potenzialmente 50 volte più densi di quelli disponibili oggi, la tecnologia relativa al GMR continuerà a essere utilizzata per rilevare questi bit, afferma. La proprietà è fondamentale anche per i nuovi tipi di dispositivi, inclusa la memoria magnetica ad accesso casuale (MRAM), che è non volatile come la memoria flash, ma più veloce e affidabile. Un'altra tecnologia sperimentale chiamata memoria da pista, che è ora in fase di sviluppo da Parkin, utilizza un nuovo tipo di bit di memoria, ma che potrebbe ancora essere letto utilizzando un dispositivo basato su GMR, dice. La memoria da pista potrebbe eventualmente combinare le migliori caratteristiche di dischi rigidi, unità flash e memoria ad accesso casuale convenzionale, fungendo da dispositivo di memoria universale. (Vedi A Better Memory Chip e IBM tenta di reinventare la memoria.)
In effetti, nell'assegnare il premio, il comitato Nobel ha sottolineato l'ampia importanza del GMR nell'aprire la nuova scienza della spintronica, in cui vengono manipolati sia la carica che lo spin degli elettroni. La scoperta, che il comitato descrive come uno dei primi vantaggi della nanotecnologia, è diventata a sua volta una forza trainante per nuove applicazioni della nanotecnologia.