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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 !!