gototopgototop

УДК 004

Ферромагнетики. Устройства хранения информации на магнитных носителях. Перспективы развития ферромагнитных носителей

Меркулов Александр Вадимович – студент Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Гайдученко Николай Евгеньевич – студент Московского физико-технического института (национального исследовательского университета).

Михин Андрей Михайлович – студент Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Тен Станислав Валерьевич – студент Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

Аннотация: Ферромагнетики — это вещества, которые могут обладать отличной от нуля намагниченностью в отсутствие внешнего поля. Примерами являются железо, никель и кобальт. Данная особенность обусловлена сложной доменной структурой вещества. Кривая намагничивания у ферромагнетика неоднозначна, зачастую зависит от предыстории вещества (явление гистерезиса). Из ферромагнетиков получаются долговечные магниты, они широко применяются в сфере компьютерных технологий и электроники. Тонкие ферромагнитные пленки играют роль носителей информации в современных жестких дисках. В последнее время, существуют большие перспективы в сфере методов обработки и хранения информации на ферромагнитных носителях – MRAM, SMR, метод термоассистированной записи, метод структурированной записи и другие.

Ключевые слова: Ферромагнетики, хранение информации.

Ферромагнетики. Базовые понятия

Ферромагнетиками называются такие вещества, в которых внутреннее магнитное поле в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле. Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов – железа, кобальта и никеля и у ряда сплавов, при условии

выполнения неравенства

(1)

где d - диаметр атома, a - диаметр незаполненной электронной оболочки атома.

Известно, что для ферромагнитных веществ характерно явление гистерезиса. Если образец из ферромагнетика поместить во внешнее магнитное поле и плавно периодически менять направление этого поля, то периодически будет меняться и намагниченность образца, а также поле в образце. Кривая намагничивания может быть неоднозначно, как видно на рис.1, намагниченность образца может существенно зависеть от его предыстории. Работа по перемагничиванию образца идет на его нагрев и определяется интегрированием:

(2)

Рисунок 1. Кривая намагничивания ферромагнетика. Явление гистерезиса. Зависимость магнитного поля в веществе (В) от внешнего магнитного поля (Н).

На рисунке 1 введены следующие обозначения:

Bs – индукция насыщения (поле в образце при максимальной намагниченности)

Hs – поле насыщения (внешнее магнитное поле, при котором наступает насыщение)

Br – остаточная индукция (индукция в веществе при отсутствии внешнего поля Н)

Hc – коэрцитивная сила (значение внешнего магнитного поля, которое требуется приложить к образцу, чтобы в его объёме обратить в нуль магнитное поле)

Рисунок 2. Типы петель гистерезиса магнитомягкого, магнитожёсткого материалов. Прямоугольная петля гистерезиса.

Вещество называют магнитомягким, если петля гистерезиса этого вещества узкая, значения Hc и Hs малы. При широких петлях гистерезиса вещество называется магнитожёстким. В связи с тем, что их сложнее перемагнитить, из таких материалов получаются хорошие магниты.

От других типов магнетиков ферромагнитные вещества также отличаются благодаря следующим свойствам:

  • Зависимость намагниченности от напряженности H внешнего магнитного поля характеризуется наличием магнитного насыщения Jн, наступающего при H ≥ Hн (рис.3 слева).
  • Зависимость магнитной индукции B от H отличается возрастанием по линейному закону в случае H ≥ Hн (рис.3 в центре).
  • Зависимость относительной магнитной проницаемости μ от напряженности H имеет сложный характер (рис.3 справа).

Рисунок 3. Графики, иллюстрирующие свойства ферромагнетиков. График зависимости намагниченности от напряженности Н внешнего магнитного поля (слева). График зависимости индукции магнитного В от внешнего магнитного поля Н (в центре). График зависимости относительной магнитной проницаемости от напряженности Н (справа).

Для ферромагнатиков выполняется закон Кюри-Вейса.

Рисунок 4. График температурной зависимости магнитной восприимчивости ферромагнетика (слева). Намагниченность ферромагнетика как функция температуры ниже точки Кюри (справа).

Данный закон устанавливает справедливость соотношения

(3)

При температуре ниже точки Кюри Тк вещество ведет себя как ферромагнетик. Выше – как парамагнетик. Излишнее тепло дезориентирует магнитные моменты в веществе, расформируя домены.

Рисунок 5. Доменная структура ферромагнетика. Чередование доменов с противоположной намагниченностью (слева). Перемагничивание ферромагнетика путем движения доменных стенок (по центру). Доменная структура ферромагнетика (в общем случае) – множество доменов со случайным направлением намагниченности (справа).

Ферромагнитное вещество составляют участки атомов с сонаправленно-выровненными магнитными орбитальными моментами – «домены». Существование доменов обусловлено обменным электромагнитным взаимодействием, имеющим квантово-механическую природу. Теория ферромагнетизма введена Гейзенбергом и подробнее рассматривается в физике твердого тела.

Если весь образец намагничен в одну сторону, то возникает сильное магнитное поле, несущее большую энергию. Но это состояние невыгодно: выгодно разбить образец на намагниченные участки (домены). При этом намагниченность разных доменов направлена так, чтобы минимизировать полную магнитную энергию.

Применение ферромагнетиков в устройствах хранения информации.

В настоящее время ферромагнетики широко применяются в сфере компьютерных технологий и электронике. На принципе изменения вектора намагниченности доменов основана технология чтения/записи информации с жестких дисков. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке за счёт электромагнитной индукции.

Рисунок 6. Два основных метода чтения/записи информации с жестких дисков в настоящее время. Метод продольной записи (сверху). Метод перпендикулярной записи (снизу).

На сегодняшний день в жестких диска используются два основных метода записи. Рассмотрим их подробнее.

В методе продольной записи вектор намагниченности домена расположен продольно, то есть параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от направления намагниченности, храня бит информации. Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см². К 2010 году этот метод был практически вытеснен методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи — технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи при этом методе резко подскочила - до 62 Гбит/см². А теоретический предел отодвинулся на порядки и составляет 1 Тбит на квадратный дюйм.

Оба метода записи рано или поздно оказываются ограничены физическими особенностями материала, из-за чего нельзя увеличивать плотность записи – суперпарамагнитный предел. Дело в том, что существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Тепловой энергии оказывается достаточно для проворачивания, смены ориентации магнитного момента области. Метод перпендикулярной записи позволил отодвинуть данное ограничение, увеличив плотность записи диска, но не обойти его. Поэтому сейчас ведется разработка других технологий записи.

Перспективы развития магнитных носителей информации.

Термоассистируемая магнитная запись (HAMR). Поверхность диска при перезаписи нагревается лазером до 100°С за 1 наносекунду, что позволяет уменьшить требуемую коэрцитивную силу, требуемую для изменения ориентации области. Переписанные области фиксируются тепловым пятном, что увеличивает их энергию и обеспечивает устойчивость от суперпарамагнитного эффекта. Предел плотности записи представители Seagate оценивают как 7,75 Тбит/см².

Рисунок 7. Схема, демонстрирующая принцип работы HAMR.

Структурированные носители данных (Bit patterned media), — перспективная технология хранения данных на магнитном носителе, использующая для записи данных массив одинаковых магнитных ячеек, каждая из которых соответствует одному биту информации, в отличие от современных технологий магнитной записи, в которых бит информации записывается на нескольких магнитных доменах.

Рисунок 8. Домены ферромагнетика на поверхности диска и примеры выделения рабочей области

1 – произвольно-образованная область

2 – структурированно-образованная область

3 – область, образованная одиночным доменом

Магниторезистивная оперативная память (MRAM) — запоминающее устройство с произвольным доступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а не электрических зарядов. Важнейшее преимущество этого типа памяти — энергонезависимость, то есть способность сохранять записанную информацию (например, программные контексты задач в системе и состояние всей системы) при отсутствии внешнего питания. Технология магниторезистивной памяти разрабатывается с 1990-х годов. В сравнении с растущим объемом производства других типов компьютерной памяти, особенно флэш-памятью и памятью типа DRAM, она пока широко не представлена на рынке. Однако её сторонники верят, что благодаря ряду преимуществ она в конечном счёте заменит все типы компьютерной памяти и станет по-настоящему «универсальной» компьютерной памятью. В сентябре 2016 журнал Forbes опубликовал график, демонстрирующий рост производства и вместительности технологии, что свидетельствует о повышении спроса на MRAM.

Магниторезистивная память имеет быстродействие, сравнимое с памятью типа SRAM, такую же плотность ячеек, но меньшее энергопотребление, чем у памяти типа DRAM, она более быстрая и не страдает деградацией по прошествии времени в сравнении с флэш-памятью. Это та комбинация свойств, которая может сделать её «универсальной памятью», способной заменить SRAM, DRAM и Flash. Этим объясняется большое количество направленных на её разработку исследований.

Рисунок 9. График развития рынка магниторезистивной оперативной памяти.

Рисунок 10. Принцип работы MRAM.

Рисунок 11. Плата MRAM, изготовленная в Everspin (США).

Рисунок 12. Дополнительный. Образец жесткого диска 2000х годов выпуска через электронный микроскоп.

Список литературы

  1. Смирнов Е.А. Взгляд изнутри: CD и HDD [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://geektimes.ru/post/253720/. Дата создания - 6 октября 2011
  2. Соколовский А. А. и др. Перспективы развития устройств хранения информации на магнитных носителях //Информационно-аналитический бюллетень» МГГУ. – 2008. – №. 1. [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://docviewer.yandex.ru/?url=http%3A%2F%2Fwiki.iteach.ru%2Fimages%2F0%2F09%2FExample_1.doc&name=Example_1.doc&lang=ru&c=587bcfed36323.
  3. Энциклопедия жестких дисков. [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://smarthdd.com/rus/help.htm
  4. Tom Coughlin. MRAM Is Becoming Mainstream Memory - [Электронный ресурс]- Режим доступа: http://www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2016/09/15/mram-is-becoming-mainstream-memory/#3086485b24d8 Дата создания - SEP 15, 2016
  5. Д. Анисимов, Е. Патий. Индустрия жестких дисков: дальше — больше-[Электронный ресурс]- Режим доступа: http://citforum.ru/hardware/data/hdd_industry/
  6. Магниторезистивная оперативная память - [Электронный ресурс]- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Магниторезистивная_оперативная_память
  7. Гладун А.Д. и др. Лабораторный практикум по общей физике. Учебное пособие / Под ред. А.Д. Гладуна - Том 3 Электричество и магнетизм. - М.: МФТИ, 2007. - 316 с.
  8. Кириченко Н.А. Электричество и магнетизм:учеб. пос./Н.А.Кириченко.-М.:МФТИ, 2011 – 420 с.
  9. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пос. для вузов. В 5 тт. Том 3 Электричество. 5-е изд, стер.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.-656с.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail