Лазерные жесткие диски изнутри

ВВЕДЕНИЕ

Последние достижения могут наконец открыть путь к новой технологии хранения данных, объединяющей в себе оптические и магнитные технологии, что приведет к появлению накопителей большой емкости, работающих на скоростях, в тысячи раз превышающих существующие, и имеющих при этом более высокую надежность.

МАГНИТО-ОПТИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ

В 2006 году доктор Даниэль Стэнсю (Daniel Stanciu), работавший тогда над своей докторской диссертацией, и доктор Фредерик Ханстин (Fredrik Hansteen) открыли способ изменения полярности магнита при помощи света. Еще более впечатляющим был тот факт, что изменение полярности магнита требовало очень короткого лазерного импульса - всего около 40 фемтосекунд (фемтосекунда равна одной миллионной наносекунды). Как говорит Стенсю, в 2006 году такое считалось попросту невозможным. Даже его профессор не верил молодому исследователю, пока тот позже не продемонстрировал ему этот переключатель в лаборатории.

В то время смена полярности магнита при помощи лазера считалась невозможной, и даже после демонстрации этого явления привычная физика была неспособна объяснить его природу. С тех пор несколько групп физиков по всему миру работали над созданием теоретической основы этих инновационных исследований, и добились определенного успеха в объяснении данного феномена, получившего название "чистооптическая инверсия намагниченности" (all-optical magnetization reversal).

В начале 1950-ых годов физик Колумбийского университета Чарльз Таунз работал над исследованием физики спектроскопии и микроволн (его интерес к этой области был обусловлен работой над радаром в годы второй мировой войны). Таунз (и двое советских физиков независимо от него) пришли к концепции мазера. Мазер, излучающий когерентные электромагнитные волны в микроволновом диапазоне при помощи вынужденного излучения, был новаторской идеей, и в то время многие ученые (включая и выдающихся) даже в теории не допускали возможность существования таких устройств (не говоря уже о возможности создания их на самом деле).

В своей биографии Таунз упоминает об истории, имевшей место вскоре после демонстрации мазера: " В 1954 году, вскоре после того как Джеймс Гордон и я построили второй мазер и показали, что частота его микроволнового излучения была действительно достаточно чистой, я посетил Данию и встретился с Нильсом Бором. Во время прогулки по улице он спросил меня о моей работе. Я описал ему мазер и его впечатляюшие характеристики. "Но ведь это же невозможно" - воскликнул он. Я заверил его, что это не так. Аналогично, на приеме в Принстоне, венгерский математик Джон фон Ньюман спросил меня, над чем я работаю. Я рассказал ему о мазере и чистоте его излучения. "Это не может быть правдой!", заявил тот. Я объяснил ему, что это уже существует и было продемонстрировано. Такие протесты не были безграмотным мнением людей о непонятных законах физики; просто это протеворечило всему, что они знали ".

История Стенсю выглядит весьма похожей на историю с мазером. Чистооптическая инверсия намагниченности считалась невозможной до тех пор, пока не была продемонстрирована в лаборатории. Физикам требовалось определенное подтверждение, прежде чем они стали принимать эту идею во внимание. Но как только она получила одобрение научного сообщества, сразу стали находитьяс и практические применения для нее.

В случае оптической инверсии намагниченности, одним из наиболее очевидных применений является сверхбыстрый магнитный накопитель информации. Этот будущий вид магнито-оптического гибрида будет потенциально не только в тысячи раз быстрее существующих магнитных устройств хранения данных, но и устранит необходимость вращения дисков, применявшуюся в каждом винчестере, начиная с созданной фирмой IBM в середине 1950-ых годов модели 305 RAMAC. Такое изменение существенно повысит надежность магнитных накопителей, которые на сегодняшний день часто выходят из строя из-за механических повреждений.

В своем недавнем интервью Стенсю рассказывал о некоторых проблемах, стоящие на пути развития этой новой технологии, а также об ее преимуществах. По его словам, две основные проблемы, связанные с практическим применением данной технологии, следующие:

1. Как интегреровать вемтосекундный лазер (большое и очень дорогое устройство) в маленький и достаточно дешевый формат существующих жестких дисков?
2. Как достичь высокой плотности хранения данных? Использование света для переключения определенной области привода требует фокусировки света на субмикронном уровне наряду с необходимостью поддерживать круговую поляризацию луча света (т.е. обеспечивать поток фотонов с определенным угловым моментом). Дело в том, что для переключения магнита необходимо изменить поляризацию луча. В то время (2007 год) плазмонные антенны (устройства, обеспечивающие фокусировку света на участке значительно меньше длины волны - вплоть до 50 нанометров) уже существоввали. Но при фокусировке через плазмонную антенну теряется поляризация.

Наконец, в 2008 ноду оба препятсвия были преодолены:

1. Во время интернатуры в компании Seagate в 2007 году Стенсю и его коллеги изучали возможность переключения магнитов при помощи пикосекундных импульсов вместо фемтосекундных. Поскольку пикосекундные лазеры гораздо дешевле фемтосекундных, а также имеют достаточно малые размеры для применения в реальных устройсвах хранения данных, их применение было признано подходящим решением для начала. Стенсю и команда в Seagate успешно протестировали эту идею и доказали ее пригодность для использования (результаты данных исследований вскоре должны быть опублигованы). 
2. По словам Стенсю, второе препятсиве было устранено группой исследователей под руководством профессора Томаса Эббесена (Thomas Ebbesen) в Страссбурге, Франция. Они успехно построили плазмонные антенны в виде четверть-волновой пластины и, таким образом, добились фокусировки света с круговой поляризацией.

Хотя оба главных препятствия были преодолены, Стенсю считает, что потребуется еще не менее пяти лет, прежде чем мы увидим серийно выпускаемые гибридные лазерные накопители. Даже с доступными сегодня дешевыми пикосекундными лазерами такие гибридные устройства смогут достичь феноменальной скорости в 1 Терабит/сек. Для сравнения, самые скоростные современные винчестеры могут достигать скорости передачи данных всего около 1 Гбита в секунду, а твердотельные флэшки - 2-3 Гбит/сек. В более отдаленном будущем приводы, основанные на фемтосекундных лазерах, смогут достичь невообразимой скорости в 100 Тбит/сек и даже выше.