Наиболее плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект заключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нормальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления превышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и используется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (магнитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах запись информации осуществляется с помощью индукционной головки, а считывание — экранированной магниторезистивной головкой.
В середине 1970-х — начале 1980-х г.г. фундаментальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышленным гигантам, как RСА, «Sony» и «Philips», запустить в производство оптические устройства хранения информации. Первый оптический диск для хранения информации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода в России являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания информации с CD встроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличение плотности записи информации на оптических дисках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпускаемые CD позволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Jukebox) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.
Логическим продолжением этих работ стало развитие магнитооптического способа записи информации. Помимо обсуждаемой выше продольной записи, которая используется при создании магнитной памяти, существует также и перпендикулярная запись, при которой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. Такой тип записи применяется в магнитооптических системах памяти. Первая коммерческая версия магнитооптической системы была выпущена только в 1994 году.
Магнитооптические системы используют в своей работе полярный эффект Керра. При этом информация об ориентации намагниченности домена получается при анализе степени вращения плоскости поляризации лазерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных металлов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким образом, чтобы температура, при которой происходит переагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Нсзначительно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pd и др.
В настоящее время существуют, например, 5,25-дюймовые перезаписываемые удаляемые (переносные) магнитооптические диски емкостью до 2,3 Гбай-та, 14-дюймовые двухсторонние диски имеют емкость 12 Гбайт. Предполагается, что в ближайшее время цифра возрастет до 20 Гбайт даже для 5,25-дюймового диска (при двухсторонней записи).
Для осуществления записи необходимо выполнение ряда магнитных, термомагнитных и магнитооптических требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости пленки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих полей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм: возможность уменьшения коэрцитивной силы по величине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра: максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервате температур и т.д.[10]
2.2. Перспективы развития устройств хранения информации
Важными направлениями научных исследований в этой области является изучение эффектов, влияющих на сверхплотную запись информации, таких, как тепловые ограничения, так называемые магнитные временные эффекты и флуктуации различного характера. Однако проблема заключается не только в том, какую среду использовать для записи информации, но и каким образом эту информацию записать и считать с данного носителя. Например, если для записи и считывания информации непосредственно использовать луч лазера, то размер одного бита информации не может быть существенно меньше половины длины волны. Цифровые видеодиски уже используют красный лазер сλ ≈ 630—635 нм, недалекая перспектива в этой области — широкое использование голубого полупроводникового GaN-лазера с длиной волны 410—415 нм.
Учеными разрабатываются несколько оптических методов записи и хранения информации. К наиболее известному из них можно отнести так называемую DVD-технологию, которая уже частично пришла на смену обычным CD. Использование DVD-носителей позволяет выпускать, например, двухчасовые видеофильмы, записанные на одном диске.
Большое внимание исследователей привлекает оптическая память ближнего поля. Оптика ближнего поля использует тот факт, что свет может проходить сквозь отверстия гораздо меньшего размера, чем длина волны λ. Однако свет при этом может распространяться на очень короткую дистанцию — так называемую область ближнего поля. Ученые предлагают реализовать данную схему путем, например, перфорирования отверстия диаметром около 250 нм на покрытом металлом конце лазерного диода. Технология же самой записи заключается в использовании летающей на малой высоте от подложки оптической головки, содержащей записывающее кольцо для магнитной записи и два оптических элемента. Одним из этих элементов является твердая иммерсионная линза. Линза используется для фокусировки лазерного луча в пятно ультрамалого размера, которое затем проецируется на поверхность диска. По некоторым оценкам, уменьшение размера отверстия на лазере до 30 нм может позволить достичь плотности записи более чем 80 Гбит/см2.
Активно разрабатываются устройства, позволяющие проводить запись и считывание информации в объеме материала, то есть осуществлять трехмерное хранение информации. Использование трехмерной (3.0-память) оптической памяти позволит записывать до 1012 бит на 1 см3. Место бита в объеме материала может быть определено с помощью простых пространственных, спектральных или временных координат. Так, например, при голографической записи, концепция которой возникла еще в 1960-х годах, информация хранится в толще среды как «страницы» электронных изображений.
Если упомянутые нами выше DVD имеют на каждой стороне лишь по два слоя записи информации, то развиваемая сейчас двухфотонная технология записи позволяет использовать по нескольку сот слоев на каждой стороне диска (созданные прототипы имеют 100 слоев при толщине 8 мм). При этом методе записи атом или молекула могут перейти из одного энергетического состояния в другое только при одновременной абсорбции двух фотонов. Использование двух лазерных лучей позволяет легко варьировать месторасположение бита информации в толще материала. Индуцированные изменения при этом могут быть зафиксированы как изменения абсорбции, флуоресценции, отражательной способности или электрических свойств материала в точке расположения бита. Такая технология позволит сохранять до 100 Гбайт информации на одном диске того же, что и CD и DVD, размера. Одной из перспективных сред, которая может, например, абсорбировать или флуоресцировать при записи битов, является материал spirobenzopyran. Однако при комнатной температуре записанная в нем информация может храниться не более 20 часов. Неограниченно долго данный материал может сохранять информацию только при температуре -32°С, то есть при температуре сухого льда. Исследуется также возможность использования для двухфотонной записи фотохромного протеина bacteriorhodopsin и нитронафтиальдегида (rhodamine В).
Ведутся также исследования новых возможностей трехмерной записи информации, делающих ее в некотором смысле четырехмерной. При этом способе записи предлагается помимо обычной использовать также такую информацию о каждой точке записи, как длина волны, время или молекулярная структура (например, записывать информацию в одной и той же точке пространства на разных длинах волн). Таким образом, можно будет записывать до 100 бит информации в одной точке пространства микронного размера.
Однако чисто оптические методы записи, в которых среда для записи расположена на заметном расстоянии от лазера, имеют одно важное ограничение — минимальный размер бита записываемой информации ограничен величиной λ/2. Это обусловлено дифракционными ограничениями. Даже при использовании голубого твердотельного лазера линейный размер одного бита информации может быть лишь около 215 нм. Хотя принципиальных ограничений на создание твердотельных лазеров с длиной волны менее 400 нм нет, но трудности создания хорошо управляемых компактных лазеров заметно возрастают при дальнейшем уменьшении длины волны. Таким образом, следует ожидать, что в случае даже полного развития трехмерной памяти и при использовании голубого лазера чисто оптические методы позволят записывать в одном кубическом сантиметре не более 10'4—1015 бит информации. Для достижения в компьютерах плотности записи 10'4/см3 понадобится не менее 15—20 лет.