211service.com
Hard-Drive Advance wint de Nobelprijs
De Nobelprijs voor natuurkunde van dit jaar is toegekend aan een paar onderzoekers die een magnetische eigenschap hebben ontdekt die de weg vrijmaakte voor de snelle en compacte harde schijven van vandaag, waardoor alles mogelijk werd, van iPods tot de enorme datacenters die als de ruggengraat van internet dienen. De ontdekking heeft bijgedragen aan een verbetering van de gegevensopslagdichtheid met ten minste een orde van grootte. En het maakt de weg vrij voor verschillende experimentele technologieën die het nog meer zouden kunnen vergroten.
Geprijsde stukjes: Deze harde schijf van IBM maakt, net als de meeste harde schijven van tegenwoordig, gebruik van een effect dat dit jaar is ontdekt door de winnaars van de Novel Prize for physics.
Albert Fert , wetenschappelijk directeur bij CNRS-Thales Joint Physics Unit in Frankrijk, en Peter Grünberg , onlangs gepensioneerd als onderzoekswetenschapper bij het Research Center Jülich in Duitsland, ontdekte onafhankelijk de eigenschap, die Fert gigantische magnetoweerstand (GMR) noemde, in 1988. GMR maakt het mogelijk om veel meer informatie op een harde schijf te verpakken door de gevoeligheid aanzienlijk te verhogen van detectoren die worden gebruikt om stukjes informatie te lezen. Binnen 10 jaar na de ontdekking werden harde schijven op basis van het effect gecommercialiseerd door IBM.
Voordat GMR werd ontdekt, waren harde schijven afhankelijk van een fenomeen dat magnetoweerstand wordt genoemd en dat al meer dan 100 jaar bekend was. Bij magnetoweerstand verandert een magnetisch veld de elektrische weerstand in een materiaal, waardoor meetbare veranderingen in elektrische stroom ontstaan. Op harde schijven werd deze eigenschap gebruikt om stukjes informatie te detecteren: regio's op een schijf die in twee richtingen zijn gemagnetiseerd. Als de kop over zo'n gebied gaat, verandert het magnetische veld een stroom die in de kop vloeit, waardoor a . wordt geregistreerd een of een 0 . Maar de technologie kwam in de problemen toen de dichtheid van het geheugen toenam en onderzoekers manieren ontwikkelden om steeds kleinere bits te schrijven. Conventionele sensoren vonden het steeds moeilijker om de magnetische bits op een harde schijf te detecteren, zegt David awschalom , een professor in de natuurkunde aan de University of California Santa Barbara. De industrie stond tegenover deze bakstenen muur. Hoe zet je meer informatie op een schijf en lees je deze toch uit?
De ontdekking van Fert en Grünberg leidde tot nieuwe sensoren die een enorme verandering in elektronische weerstand laten zien wanneer ze een magnetisch veld tegenkomen. Deze grotere verandering maakte het mogelijk om kleinere bits te detecteren, waardoor het praktisch werd om veel meer bits op een schijf te proppen. Dat is de reden dat we een aantal jaren geleden allemaal een zeer sterke toename zagen in de opslagdichtheid van onze harde schijven, zegt Awschalom. Het raakt de consument enorm.
Het reuzenmagnetoweerstandseffect hangt af van een kwantummechanische eigenschap van elektronen, spin genaamd, die te maken heeft met de magnetische eigenschappen van een materiaal. Een elektronische stroom omvat elektronen met twee soorten spin, naar boven of naar beneden aangeduid. Evenzo kunnen magnetische materialen in verschillende richtingen worden gemagnetiseerd, die ook op en neer kunnen worden opgeroepen. Het gemak waarmee een elektron door een magnetisch materiaal kan bewegen, hangt af van zijn spin. Als de spin van een elektron omhoog is, zal het vrij door een opwaarts gerichte magneet bewegen, maar zal het weerstand ondervinden in een neerwaartse magneet. Het down-spin elektron zal zich precies andersom gedragen.
Fert en Grünberg maakten gebruik van dit gedrag door twee lagen materiaal te combineren, één naar boven en één naar beneden. Ze legden vervolgens een magnetisch veld aan dat beide in dezelfde richting magnetiseerde en observeerden het effect dat dit had op de stroom die door de lagen liep. Ze ontdekten dat wanneer beide lagen in dezelfde richting zijn georiënteerd, er ten minste één type elektron vrij kan passeren. Maar wanneer ze in tegengestelde richtingen zijn georiënteerd, ondervinden beide typen elektronen weerstand, wat een grote stroomdaling veroorzaakt. Omdat het effect groot is, creëert het magnetische veld van zelfs een klein beetje een waarneembaar signaal, waardoor het mogelijk wordt om kleinere bits te detecteren.
De ontdekking trok al snel de aandacht van onderzoekers over de hele wereld vanwege het potentieel voor het verbeteren van harde schijven. Stuart Parkin, een wetenschapper bij IBM Research, ontdekte dat het effect kan worden bereikt met veel snellere, goedkopere methoden dan die van Fert en Grünberg. Ondertussen moesten verschillende andere technologieën worden ontwikkeld om te profiteren van gigantische magnetoweerstand, waaronder technieken voor het schrijven van kleinere bits en voor het nauwkeuriger bewegen van de lees-/schrijfkoppen. Een belangrijke ontdekking door onderzoekers van IBM was een nieuwe configuratie van magnetische lagen die het mogelijk maakten om het effect te produceren met kleine magnetische velden en te gebruiken in de kleine lees-/schrijfkoppen van harde schijven.
De eerste schijf op basis van GMR, een harde schijf van 16 gigabyte gemaakt door IBM, verscheen in 1997. In de loop van de volgende 10 jaar leidde de technologie tot harde schijven van 1000 gigabyte (één terabyte), zegt John Best , nu hoofdtechnoloog bij Hitachi Global Storage Technologies in San Jose, CA. Hij leidde de groep bij IBM die de eerste lees-/schrijfkoptechnologie ontwikkelde op basis van GMR. (De meest recente van deze harde schijven maken gebruik van een gerelateerd effect dat tunneling-magnetoweerstand wordt genoemd; net als GMR maakt het gebruik van magnetische lagen die in tegengestelde richtingen zijn georiënteerd, maar het is nog gevoeliger.)
Het GMR-effect zou de sleutel kunnen zijn tot meerdere generaties geheugenapparaten, zegt Best. Terwijl onderzoekers nieuwe manieren ontwikkelen om meer bits op een harde schijf te plaatsen, wat kan leiden tot schijven die mogelijk 50 keer zo dicht zijn als de huidige, zal GMR-gerelateerde technologie worden gebruikt om deze bits te detecteren, zegt hij. De eigenschap is ook cruciaal voor nieuwe soorten apparaten, waaronder magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM), dat niet-vluchtig is zoals flash-geheugen, maar sneller en betrouwbaarder. Een andere experimentele technologie genaamd racetrack-geheugen, die nu door Parkin wordt ontwikkeld, gebruikt een nieuw type geheugenbit, maar een die nog steeds kan worden gelezen met een op GMR gebaseerd apparaat, zegt hij. Racetrack-geheugen zou uiteindelijk de beste eigenschappen van harde schijven, flashdrives en conventioneel willekeurig toegankelijk geheugen kunnen combineren, en dienen als een universeel geheugenapparaat. (Zie Een betere geheugenchip en IBM probeert het geheugen opnieuw uit te vinden.)
Bij het toekennen van de prijs wees het Nobelcomité inderdaad op het brede belang van GMR bij het ontsluiten van de nieuwe wetenschap van spintronica, waarin zowel de lading als de spin van elektronen wordt gemanipuleerd. De ontdekking, die de commissie omschrijft als een van de eerste resultaten van nanotechnologie, is op zijn beurt nu een drijvende kracht geworden voor nieuwe toepassingen van nanotechnologie.