Ώθηση από τις νανοσυσκευές στην αποθήκευση στοιχείων

Από τη σελίδα του PhysicsWeb, 3 Ιουλίου 2002

Η ικανότητα αποθήκευσης στοιχείων θα μπορούσε να αυξηθεί κατά χίλιες φορές, λόγω μιας έρευνας που διεξήχθη από επιστήμονες της φυσικής των υλικών στις ΗΠΑ.  Ο Harsh Deep Chopra και η Susan Hua του Πολειτιακού Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης στο Buffalo, που παρατήρησαν μια "βαλλιστική μαγνητοαντίσταση" πάνω από 3.000% στις επαφές νικελίου με μήκος μόλις μερικών ατόμων. Η μαγνητοαντίσταση είναι η αλλαγή στην αντίσταση του υλικού που προκαλείται από ένα μαγνητικό πεδίο, και επιτρέπει έτσι στους σκληρούς δίσκους να διαβάσουν τα μαγνητικά στοιχεία (Chopra και Hua 2002 Phys. Rev. B 66 020403).

Οι Chopra και Hua τοποθέτησαν την επαφή τους, της τάξης μερικών νανομέτρων, φτιαγμένη από νικέλιο - που είναι ένα σιδηρομαγνητικό υλικό - μεταξύ δύο ηλεκτροδίων που σχηματίζουν εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία αρκετών Gauss. Αυτή η κατασκευή, που οργανώθηκε σε θερμοκρασία δωματίου, περιέστρεψε τους άξονες ιδιοπεριστροφής (spin) των ηλεκτρονίων, που ταξιδεύουν κατά μήκος του σιδηρομαγνητικού υλικού. Αυτό ανάγκασε τα ηλεκτρόνια να διαχέονται, και αύξησε έτσι την αντίσταση της επαφής κατά 3150%.

Το φαινόμενο είναι γνωστό σαν βαλλιστικό επειδή - χωρίς το εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο - τα ηλεκτρόνια κινούνται σε μια ευθεία γραμμή μέσω της στενής επαφής. Εάν η επαφή ήταν ελαφρώς πιο μακρά, η κίνηση των ηλεκτρονίων θα εξουσιαζόταν από τις τυχαίες θερμικές μετακινήσεις, οι οποίες θα ανέτρεπαν την διασκορπιστική επίδραση του μαγνητικού πεδίου.

Σε έναν σκληρό δίσκο η επαφή αυτή θα ενεργούσε ως κεφαλή ανάγνωσης και θα συνδεόταν με ένα κύκλωμα στο οποίο θα έφταναν ηλεκτρόνια με πολωμένο spin. Φέρνοντας την επαφή αυτή κοντά σε κάθε μαγνητική περιοχή  - ή δεδομένα bit - που θα διαβάζεται, τα ηλεκτρόνια διατρέχοντας την επαφή θα διαχέονταν, κατά ένα ποσό εξαρτώμενο από το μαγνητικό προσανατολισμό του bit. Δεδομένου ότι κάθε δυαδικό ψηφίο (bit) σε έναν σκληρό δίσκο είναι σχεδόν ίδιου μεγέθους σαν την  κεφαλή που φτιάχτηκε, η βαλλιστική μαγνητοαντίσταση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει αποθηκευτικές ικανότητες τόσο μεγάλες της τάξεως αρκετών terabits ανά τετραγωνική ίντσα.

Σχεδόν όλοι οι σημερινοί σκληροί δίσκοι στηρίζονται σε ένα σχετικό φαινόμενο που ονομάζεται γιγαντιαία  μαγνητοαντίσταση, και στο οποίο η αντίσταση των εναλλασσόμενων στρωμάτων των μαγνητικών και μη-μαγνητικών υλικών μπορεί να αλλάξει τουλάχιστον κατά 100%. Επιπλέον, η ονομαζόμενη κολοσσιαία μαγνητοαντίσταση έχει ανεβάσει τις αντιστάσεις μέχρι και 1400% πάνω, στη θερμοκρασία δωματίου, αλλά απαιτεί πεδία χιλιάδων Gauss και υλικά με μια υψηλή εγγενή αντίσταση. Αντίθετα, το σχετικά μικρό μαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιείται από τους ερευνητές στο Buffalo σημαίνει ότι ακόμη και τα bits μήκους μερικών νανομέτρων θα παραγάγουν ένα μαγνητικό πεδίο αρκετά ισχυρό για την καταχώρηση ενός σήματος στη κεφαλή ανάγνωσης ενός σκληρού δίσκου.

"Αυτό η βαλλιστική μαγνητοαντίσταση είναι το μεγαλύτερο φαινόμενο, που φαίνεται ακόμα και στο spintronics, ένας τομέας της έρευνας που αξιοποιεί και το φορτίο και το spin των ηλεκτρονίων, για να δημιουργήσει ηλεκτρονικά κυκλώματα",  λέει ο Chopra. "Αλλά είναι όχι μόνο συναρπαστικό από τεχνολογική άποψη. Είναι ενδιαφέρον και επιστημονικά, επειδή η υπάρχουσα θεωρία δεν μπορεί ακόμα να το εξηγήσει." Πράγματι, επισημαίνει ότι η προέλευση αυτού του φαινομένου πρέπει να γίνει κατανοητή με μεγαλύτερη σαφήνεια προτού να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί σοβαρά στις ηλεκτρονικές συσκευές.