To jsou slova Thomase Ostlera z britské University v Yorku, prvního autora článku, který minulý týden zveřejnil časopis Nature Communication. Kromě Britů jsou pod nim podepsáni i vědci ze Švýcarska, Nizozemí, Španělska, Ukrajiny, Ruska a Japonska. Tajemství překvapivého výsledku jejich výzkumu prozrazují slova Alexeje Kimela z Ústavu pro výzkum molekul a materiálů z holandské Radboud Universiteit v Nijmegenu (čti Nejméchenu): Po desetiletí jsme byli přesvědčeni, že teplo může magnetické uspořádání (ve struktuře materiálu) jenom zničit. Nyní jsme úspěšně prokázali, že ve skutečnosti může představovat vhodný impulz pro záznam informace na magnetické médium.“
Když se řekne „magnet“
To, že každý magnet má svůj severní a jižní pól, ví každý školák. Není to ale vlastnost neměnná, magnet lze za jistých podmínek zcela demagnetizovat, nebo přepólovat.
V obecnosti platí, že spin nespárovaných valenčních elektronů se promítá do magnetického momentu atomu. U feromagnetických materiálů, mezi něž patří například čisté železo, kobalt nebo nikl a jejich některé slitiny, ale i některé prvky vzácných zemin, třeba gadolinium (Gd) ze skupiny lanthanoidů, magnetické momenty sousedních atomů na sebe působí a ve vnitřní struktuře díky tomu vznikají oblasti nanometrových rozměrů – magnetické domény, v rámci kterých mají stejnou orientaci. Každá doména pak sama představuje jakýsi miniaturní magnet. Když jsou směry magnetických momentů celých domén různé, navzájem se vykompenzují a celý materiál se navenek jako magnet nechová. Když ale začne působit vnější magnetické pole, v závislosti od jeho intenzity se jeho směru začnou podřizovat spiny atomů a tím i magnetické momenty domén. Přestanou se navzájem kompenzovat a těleso z feromagnetické látky se samo stává magnetem. Tuto vlastnost si po jistou dobu zachová, i když vnější pole přestane působit.
Naindukovanou magnetizaci permanentního magnetu můžeme ovlivnit vnějším silným polem jiného směru, případně teplem, které zvyšuje kmitání částic, což jejich magnetické vazby naruší. Nad jistou, pro každý magnetický materiál specifickou teplotou, která se nazývá Curieho, se schopnost feromagnetik uchovat si vlastní magnetizaci vytrácí, jsou pak paramagnetická. Když ale chladnou, opět se jim navrátí, jenže jejich doménová struktura se přizpůsobuje novým podmínkám, hlavně právě působícímu vnějšímu poli. Tak lze i známý magnetický minerál – magnetit – demagnetizovat, nebo přepólovat. V tom prvním případě musí po nahřátí nad jeho Curieho teplotu (575 až 585 °C) chladnout v magnetickém vakuu, v tom druhém stačí při poklesu teploty na něj působit opačně orientovaným polem, než bylo jeho původní.
Ferimagnetismus - nerovnost protisměrných magnetických momentů
Magnetit je podvojným oxidem železa a jeho sumární chemický vzorec Fe304 lze rozepsat na dva oxidy FeO x Fe203. V tom druhém, železitém, se magnetické momenty dvou atomů trojmocného železa navzájem kompenzují, protože mají opačný směr. Výslednou, navenek se projevující magnetizaci minerálu mají tedy na svědomí spiny atomů dvoumocného železa. Tento typ materiálů, jejichž krystalová struktura se skládá ze dvou typů podmřížek, které se liší velikostí navzájem opačně orientovaných vektorů magnetických momentů, se nazývají ferimagnetické. Lze s jistým zjednodušením napsat, že jedna z jejich podmřížek se chová jako feromagnetikum, druhá jako slabší antiferomagnetikum. Podobně jako feromagnetické, i ferimagnetické látky při teplotě vyšší než je příslušná Curieho teplota ztrácejí vlivem zvýšeného pohybu atomů schopnost si magnetizaci uchovat. U některých ferimagnetik se navíc již při nižší teplotě magnetický vliv obou podmřížek navzájem vyruší, protože dosáhne stejné hodnoty při opačné orientaci. Celé těleso se tak přestane chovat jako magnet ještě dřív, než dosáhne Curieho teplotu. Tato hranice se nazývá bod magnetické kompenzace.
Tajemství magnetického záznamu
Tyto vlastnosti jsou důležité pro zápis a uchovávání dat na magnetické médium. V aktivní vrstvě jsou drobná ferimagnetická zrníčka nanometrových rozměrů reprezentující samostatné domény uložené nahusto vedle sebe. V dnešních pevných discích je směr jejich magnetizace kolmý k povrchu disku, což umožňuje větší hustotu záznamu, než když byl ještě před asi šesti lety podélný (viz). Jedna magnetická polarizace značí jedničku, opačná nulu. Tak je možné do mikroskopických krystalků převést jakýkoliv záznam ve tvaru binárního kódu. Samotné zapisování se děje pomocí elektromagnetické indukce, která změní polaritu příslušného zrníčka. Vnější pole, jenž na něj při tom velmi cíleně působí, je poměrně silné – téměř jeden Tesla. Přepólování se musí stihnout za několik nanosekund, tedy miliardtin sekundy.
Změna polarity ultrarychlým ohřevem
Teplota zvyšující kinetickou energii částic tedy vlastní magnetizaci materiálu narušuje. Asi i většina expertů na počítačové technologie by nad myšlenkou použít ji právě na zefektivnění magnetického zápisu kroutila nevěřícně hlavou. Jenže právě to se mezinárodnímu týmu podařilo. Pomocí extrémně krátkého, jenom šedesát biliardtin sekundy (60 femtosekund) trvajícího laserového pulzu prudce zahřejí na asi 1200 Kelvinů nanokrystal slitiny, jehož hlavními složkami jsou železo a gadolinium. Jde o ferimagnetický materiál, ve kterém atomy gadolinia mají v porovnání s atomy železa větší magnetický moment, jenže opačně orientovaný. Směr (vektoru) magnetizace celého nanokrystalu tak závisí od orientace magnetického momentu gadoliniové podmřížky. Když však teplota prudce stoupne, toto uspořádání se začne měnit. Jako první reagují atomy železa, které kinetická energie osvobodí a umožní jim se přetočit tak, aby směr jejich magnetického momentu byl stejný jako u atomů gadolinia. V této poloze "zamrznou". Jenže atomy gadolinia, jež energii získávají i ztrácejí o něco pomaleji, jsou vzhledem na ferimagnetické vlastnosti slitiny přinuceny se přetočit také, aby jejich magnetický moment měl opačnou orientaci než má železo. Tak celá doména nabude opačnou orientaci, než měla před ohřevem laserovým pulzem (viz obrázky v tabulce). Celý proces trvá pouhých 5 pikosekund, tedy 5 biliontin sekundy. To je téměř 300 krát rychleji, než zápis jednoho bitu zvládají běžné typy pevných disků a asi 200 krát rychleji, než je limit, který stávající metoda elektromagnetické indukce nabízí (1 nanosekunda). Ohřev laserovým pulzem je navíc i energeticky efektivnější.
"Zatím tomuto mechanismu nerozumíme do detailů,“ přiznává Thomas Ostler, který ke studii přispěl zejména teoretickými výpočty.
| Vizualizace magnetického přepólování ultrarychlým ohřevem pomocí laserového pulzu. Ferimagnetické krystalky nanometrových rozměrů obsahují atomy železa (modře) a gadolinia (červeně), jejichž směry magnetických momentů jsou navzájem opačné. 60 femtosekund trvající laserový pulz drobounké zrníčko rychle zahřeje, uspořádání se naruší a na okamžik vznikne přechodový stav odpovídající feromagnetickému uspořádání. V něm jsou téměř všechny vektory magnetizace orientovány stejně. Atomy železa se natočí tak, aby směry jejich magnetických momentů byly shodné s těmi u atomů gadolinia. Jenže ty to posléze přinutí se přeorientovat také, což způsobí přepólování celé domény. Celý proces trvá asi 5 pikosekund. Kredit: Richard Evans, University of York |
Schematické zobrazení magnetického paměťového média, jehož aktivní vrstvu tvoří uspořádání ferimagnetických krystalků nanometrových rozměrů. Každý odpovídá 1 bitu. Hustota záznamu by měla dosáhnout 10 petabajtů (10 biliard bajtů, čili 80 biliard bitů) na metr čtverečný. Údaje v binárním kódu se nahrávají pomocí bleskového ohřevu laserovým pulzem rychlostí 200 gigabitů (200 miliard bitů) za sekundu. V porovnání s dnešními pevnými disky tato metoda umožňuje 10násobně vyšší kapacitu a 300násobně vyšší rychlost zápisu. Kredit: R. Evans, University of York |
Konkurence nových technologií
Před dvaceti lety ty nejlepší stolní počítače měly 20megabajtové pevné disky, na které se vešlo 160 milionů bitů, tedy „nul“ a „jedniček“ (1 bajt = 8 bitů). Na pevné disky dnešních výkonných notebooků se vejde 50 000 krát více, tedy až 1 terabajt (bilion bajtů, 8 bilionů bitů). Aby se tak velká kapacita dala efektivně využít, adekvátně k jejímu nárůstu se musí zvyšovat i rychlost zápisu a čtení. V tomto směru se magnetický záznam řízený laserovým pulzem jeví jako příslib malé revoluce. Bude se však muset prosadit v konkurenčním boji s jiným novými metodami, jejichž vývoj má už jistý časový náskok. Další reálnou možnost nabízí například ovládání magnetického momentu domén na záznamových médiích pomocí oscilací elektrického pole, nebo proudů elektronů se stejně orientovaným spinem. "Tyto technologie se pravděpodobně budou v komerčních produktech využívat dříve, protože vědci a inženýři na nich pracují již několik let," předpovídá Bert Koopmans, fyzik z Technické univerzity v nizozemském Eindhovenu, a dodává: "V dohledné době nevidím možnost zakomponování metody laserem indukovaného přepínání polarizace do pevných disků, protože potřebné laserové systémy jsou nyní asi 1 m dlouhé a těžce integrovatelné." Připouští ale, že by tato metoda mohla najít uplatnění ve speciálních aplikacích využívajících rychlé optické systémy, u nichž je rychlost záznamu důležitější než miniaturizace.
Poznámka: I když pod článkem uváděné zdroje se zmiňují o možnosti nahrávat touto metodou data rychlostí terabajty za sekundu: This method of recording might allow one to record Terabytes (1000s of Gigabytes) of information per second... viz: Paul Scherrer Institut, Kurzweil nebo Science Daily, není to přesná informace. Metoda by až po dalším zdokonalení mohla umožnit rychlost zápisu asi jeden terabit za sekundu. Při experimentech vědci dosáhli v článku zmíněných 200 gigabitů za sekundu, jak je uvedeno v popiscích pod obrázky.
Chvilka poučné angličtiny pomocí krátkého videa: Bill Hammack z Katedry chemického a biomolekulárního inženýrství Illinoiské university v Urbaně vysvětluje, jak funguje počítačový pevný disk.
Zdroje: Science Now, Nature Communication, Paul Scherrer Institut, Kurzweil
Diskuze:
