Charla de divulgación

MAGNETISMO Y NANOCIENCIA
Almacenamiento Magnético de Información
Alejandro Butera
Laboratorio de Resonancias Magnéticas
Instituto Balseiro - Centro Atómico Bariloche
¿Qué es un nanómetro?
1m
10
cm
1 cm
> 5 µm
(polen)
100 nm
virus HIV
1 mm
0.1mm-100 µm 20-50 µm
(espesor)
(cabello)
10 nm
2nm hélice 3Å átomos
pared celular
de oro
DNA
en bacterias
Algunas consideraciones
•Los sistemas de almacenamiento de información se componen
de un medio (piedra, papel, disco, cinta, etc), un dispositivo de
grabación y, eventualmente, uno de reproducción (otra piedra,
lápiz o imprenta, tocadiscos, radiograbador, etc.)
•Desde que el ser humano habita la tierra tuvo la necesidad de
conservar o guardar información.
•Las formas más antiguas datan de más de 40000 años y son
grabados y dibujos realizados sobre piedras.
Pintura rupestre
Petroglifos en el Valle del Encanto, Chile.
Algo de historia
•Con la creación de la escritura
y el papel, el libro se trasformó
en el medio principal de
almacenamiento de información.
Biblia de Gutemberg
•En 1877 Edison inventa el
fonógrafo
primer
sistema
mecánico capaz de grabar y
reproducir sonidos como música
y la voz humana.
Fonógrafo de Edison
Algo más de historia
•En 1898, Valdemar Poulsen
inventó el telegráfono, la
primera máquina en registrar
el
sonido
de
forma
magnética. Este aparato
grababa los sonidos sobre un
carrete de hilo de acero que
se desplazaba entre los polos
de un electroimán
Telegráfono de Poulsen, 1898
•La grabación magnética más antigua que aún se conserva fue
la realizada por el telegráfono de Poulsen en la Exposición de
París de 1900 y corresponde a la voz del emperador Franz Josef
de Austria. Esta grabación se conserva en el Museo danés de
Ciencia y Tecnología.
•En 1935 las empresas AEG y
BASF de Alemania presentan el
magnetófono en la feria de Berlín.
En este nuevo equipo el cable de
acero había sido reemplazado por
una cinta flexible de acetato de
celulosa (plástico) cubierta con
una pintura de óxido férrico
(Fe3O4).
Magnetófono AEG, 1935
•En 1963, la empresa holandesa
Philips realizó el lanzamiento de
los primeros reproductores grabadores para cintas de casetes y
las primeras cintas compactas.
Casete de audio
•Hacia 1956 IBM presentó
su computadora IBM 350
RAMAC que incluyó el
primer disco rígido de la
historia.
•El disco tenía el tamaño de
un refrigerador pequeño y el
motor que lo hacía funcionar
tenía una potencia similar al
de una mezcladora de
Disco RAMAC
cemento.
•Lo componían 50 discos de aluminio de 60 cm de diámetro
cubiertos en ambas caras con una película de óxido de hierro.
•El disco completo tenía una capacidad total de 5 Megabytes
(5.000.000 de bytes), apenas suficiente hoy en día para guardar
algunos minutos de música en formato MP3.
¿Cómo funciona un sistema de almacenamiento magnético?
Hay tres principios fundamentales de física básica que
entran en juego.
1. Una corriente eléctrica produce un campo magnético
(ley de Ampère)
2. Las variaciones de campo magnético inducen una
tensión en una bobina (ley de Faraday-Lenz)
3. Los dominios en un material magnético tienden a
orientarse en la dirección del campo aplicado. (interacción
Zeeman).
Partes de un sistema de almacenamiento magnético de información
Medio de
almacenamiento
(alambre de acero
magnético “duro”)
Cabezal de escritura y lectura
(electroimán con núcleo
magnético “blando”)
Lazo de histéresis de un material magnético
Se puede utilizar para
diferenciar un material
"blando" con campo
coercitivo Hc igual o
menor a unos Oersted y
uno "duro" en los que el
campo coercitivo Hc es
superior a varios miles
de Oersted.
M
Ms
Mr
Hc
(Cómo referencia el campo magnético terrestre que alinea la
aguja de una brújula es menor a 1 Oersted).
H
Discos Rígidos Magnéticos
•Son
los
sistemas
de
almacenamiento magnético
de más avanzada tecnología.
Los componentes básicos de
un disco rígido son:
•La electrónica y las partes
mecánicas.
•El medio magnético donde
se almacena la información.
•El transductor o cabezal de
lectura/escritura.
Los dos últimos componentes son los que nos interesan desde el
punto de vista de nanociencia y serán comentados en detalle.
Medio Magnético
Los requisitos fundamentales que debe cumplir un medio
magnético son:
•Alto campo coercitivo.
•Estabilidad magnética y térmica.
•Estar formado por granos muy pequeños cristalinamente
orientados, magnéticamente aislados y de alta anisotropía
magnética.
•Tienen que ser también resistentes a la corrosión y al uso.
•En los primeros discos (y en los floppy actuales) se utilizaba
un óxido de hierro. A medida que aumentó la densidad de
información se debió recurrir a medios mas sofisticados.
Medio magnético moderno
La estructura de los medios
magnéticos se ha vuelto cada
vez más compleja debido al
incesante aumento en el
número de bits por unidad de
área.
Actualmente son necesarias
al menos 7 capas (varias con
espesores
de
distancias
atómicas) para lograr un
disco con las características
deseadas. De todas ellas la
capa “gruesa” de CoCrPtB
(pintada de color gris) es la
que guarda la información.
capa lubricante
Carbon
CoCrPtB 13nm
Ru 0.8nm
CoCrPtB 3nm
CoCr hcp
aleación de Cr bcc
NiP
Sustrato de Aluminio
Comparación
Cubrir la superficie un disco de 50 mm de diámetro con una capa
de 1 nm equivale a cubrir una superficie de 200000 km2 con una
capa de 1 cm de espesor.
Microscopía de alta resolución de un medio magnético moderno
•Aleación CoCrPtB.
•Los granos oscuros
corresponden al cobalto.
•Las regiones claras que
rodean a los granos magnéticos
están compuestas por el resto
de los elementos.
•El tamaño promedio de los
granos magnéticos es de 8 nm.
Gentileza de Richard Zhou, MMC Technology USA.
•Se ha superpuesto un rectángulo para indicar el tamaño
aproximado de un bit de información (30 nm x 250 nm).
•La región de transición entre bits es de ~10 nm.
¿Cómo se guarda la información?
Se codifica la
información en forma
binaria (ceros y unos).
El cabezal de escritura
magnetiza el medio en
una dirección u otra,
según haya que guardar
un 0 ó un 1
El disco se divide en
distintas zonas físicas para
un acceso más rápido.
Imagen de microscopía magnética de un disco rígido
•En la imagen de
microscopía
magnética las zonas
claras y oscuras
indican la transición
entre dominios de
distintas
orientaciones.
•Cada dominio
corresponde a un bit.
•En un disco hay casi
1 000 000 000 000
de bits.
Lab. Resonancias Magnéticas - Inst. Balseiro
0
0.60
0.41
0.27
2002, 80 Gbit/in , 8:1
2
2
0.094
0.052
60% CA
primer cabezal
GMR
0.03
Ancho del bit (µ m)
(µm)
25% CA
primer cabezal MR
primer cabezal
de film delgado
10-1
10-2
10
2
0.17
0
-3
1998, 5 Gbit/in , 14:1
2
1996, 1.3 Gbit/in , 17:1
2
2
101
10
2
2
4
100% CA
2000, 20 Gbit/in , 12:1
10
2
6
1994, 0.50 Gbit/in , 18:1
103
8
1992, 0.20 Gbit/in , 19:1
104
10
(µm)
105
12
1990, 0.09 Gbit/in , 20:1
106
Alto del bit ( µ m)
Densidad por área (Megabits/pulgada2)
¿Cuánta información entra en un disco rígido?
primer disco rígido (IBM RAMAC)
1960
1970
1980
Año
1990
2000
2010
Cabezal de lectura-escritura
•Originalmente
un
único
cabezal inductivo era utilizado
tanto para la lectura como para
la escritura de información en
los discos.
•En 1991 IBM lanza el cabezal
de lectura magneto-resistivo
(MR) de película delgada.
•En 1997 un cabezal de lectura
aún más sensitivo basado en el
efecto de magneto-resistencia
gigante (GMR) fue presentado
por IBM.
•El cabezal “vuela” a 15 nm
del disco.
1mm
Cabezales magnetorresistentes
En la figura de la izquierda se presenta un esquema de una
válvula de espín como las que se utilizan actualmente para leer
información de los discos rígidos
En la figura de la derecha se muestra el cambio relativo de
resistencia eléctrica en función de campo magnético.
DISCO RÍGIDO EN ESCALA 1:1500
•El medio magnético sería como un estadio de fútbol (~100 m).
•Cada bit de información tendría 50 x 400 micrones, es decir el
tamaño de un cabello humano de menos de 0.5 mm de largo.
•En 100 metros de diámetro podríamos acomodar 15 ×1010
cabellos, por lo que harían falta 1 500 000 personas (a 100 000
cabellos por cabeza) para llenar el campo de juego.
•El brazo sobre el que va montado el cabezal de lectura y
escritura tendría unos 5 metros de lado y el cabezal unos 3 cm.
•La distancia del cabezal al “césped”: 25 micrómetros (medio
cabello).
•Notar que un grano de arena sería un desastre en nuestro
disco-estadio y algo 1500 veces más pequeño que un grano de
arena sería igualmente catastrófico en un disco real.
Algunos datos
•Hoy en día es posible comprar discos de 500 GB por US$200.
El primer disco RAMAC de 1956 costaba US$50000.
•En 1956 1 GB costaba US$ 10 millones, hoy cuesta menos de
0.50 centavos.
Año
Óptico
1985
CD ROM 700 MB
1997
DVD
4.7 GB
2007
Blue Ray 25 GB
aumento
35
Magnético
20 MB
5 GB
1 TB
50000
Disco Hitachi de 1 TB
Disco Toshiba de 0.85'' (2cm)
con 4 GB de capacidad. Figura en
el libro Guinness como el disco
más pequeño del mundo.
Reflexiones a futuro
Si continúa el crecimiento actual, en 2015 tendremos discos de
100 Tbytes (100 000 000 000 000 bytes). Allí se pueden guardar:
•100 millones de libros (1 MB).
•10 millones de fotos de muy alta resolución (10 MB).
•1 millón de CD's en formato MP3 (100 MB).
•20000 películas en formato DVD (5 GB).
Esto es mucho más de lo que nosotros (incluyendo familiares,
amigos y vecinos) podríamos leer, escuchar o ver durante todas
nuestras vidas.
En el futuro habrá superávit de almacenamiento de
información debido esencialmente a que la creatividad
humana crece mucho más lentamente que la capacidad
de guardar y distribuir información.
Muchas Gracias por su atención !!