Использование таинственных квазичастиц позволит сократить размеры жестких дисков минимум в 20 раз

Недавно обнаруженная таинственная квазичастица, обладающая набором странных физических свойств, может стать тем, что позволит сократить размеры устройств магнитного хранения информации, таких как жесткие диски, минимум в 20 раз. Эта частица, называемая скирмионом (skyrmion), обладает более стабильными магнитными свойствами и для переключения ее магнитного состояния требуется во много раз меньше энергии, чем для переключения состояний квазичастиц обычных магнитных материалов. Практическое использование скирмионов позволит не только сократить размеры устройств хранения информации, они, эти частицы, в далекой перспективе могут стать основой чрезвычайно компактных и мощных компьютеров, в которых магнитное хранение информации комбинируется с обработкой информации, работа которой также основана на принципах магнетизма.

Название этих частиц, скирмионов, напоминает название расы каких-нибудь злобных существ из фэнтезийных романов или компьютерных игр. Но, на самом деле, название было выбрано в честь Тони Скирма (Tony Skyrme), британского ученого-физика, который в 1962 обосновал на теоретическом уровне возможность существования этих квазичастиц, состоящих из магнитных полей, окружающих группы атомов.

Магнитные поля являются основой для технологий магнитного хранения данных. В обычных магнитных веществах, используемых для покрытия поверхностей магнитных лент и жестких дисков, магнитное поле крошечных частичек вещества, магнитных доменов, определяется направлением вращения всех электронов атомов. Биты информации, хранящиеся таким образом, записаны в доменах определенных размеров, которые должны находиться на некотором удалении друг от друга. Иначе обе области, являющиеся своего рода магнитными квазичастицами, начинают оказывать влияние друг на друга, что приводит к порче записанных в них данных.

Однако, внутри скирмиона электроны вращаются в различных направлениях, что не позволяет магнитным полям таких частиц "склеиваться" даже тогда, когда эти частицы располагаются близко друг к другу. Благодаря этому эффекту, группа исследователей из университета Гамбурга, Германия, возглавляемая Кристен фон Бергман (Kristen von Bergmann) и Роландом Висендэнджером (Roland Wiesendanger), смогла расположить скирмионы на расстоянии всего 6 нанометров, для сравнения, магнитные квазичастицы в существующих жестких дисках располагаются на расстоянии в 25 нанометров. С практической точки зрения такое сокращение расстояния между носителями информации позволит сократить размеры устройств хранения данных минимум в 20 раз, к примеру, миниатюрных жесткий диск для iPod, размером в 5 сантиметров, может быть сокращен до размеров рисового зерна.

Для того, чтобы создать матрицу скирмионов исследователи поместили две тончайшие пленки из атомов палладия и железа в сильное магнитное поле и охладили это все практически до абсолютного нуля. Под воздействием этих факторов в металлических пленках тут же образовались скирмионы. После этого исследователи нацелили на пленку луч электронов, который уничтожили скирмионы в точке контакта. При повторном воздействии на это же место пленки электронным лучом скирмионы образовались опять. Этот процесс весьма напоминает процесс записи информации на магнитный носитель, с той разницей, что факт наличия скирмионов, который можно установить обычными методами считывания магнитной информации, можно трактовать как логическую 1, а их отсутствия - как логический 0.

Теперь, когда ученые продемонстрировали то, что используя скирмионы, можно записывать и считывать данные, следующим их шагом будет создание практического устройства хранения данных. По этому поводу Кристен фон Бергман рассказала, что самой большой проблемой будет поиск материала, способного создавать устойчивые скирмионы при комнатной температуре. Если поиски или разработка такого материала закончатся успешно, то получится устройство хранения информации намного более стабильное, нежели существующие устройства. Это "скирмионное" устройство будет менее подвержено влиянию магнитных и электрических полей, ионизирующих излучений и высокой температуры, факторов, которые весьма отрицательно влияют на свойства обычных магнитных материалов и на целостность записанной в них информации.

"Электроника на основе скирмионов будет не просто более компактной и более стабильной" - рассказывает Авэдха Сэксену (Avadh Saxena), ученый-физик из Национальной лаборатории в Лос-Аламос, - "Такая электроника будет отличаться еще и крайне низким уровнем потребления энергии, ведь управление состоянием скирмионов требует энергии в 100 тысяч раз меньшей, чем энергия, затрачиваемая на переключение традиционных магнитных материалов".