Нанотехнология и проблема записи информации

Вот уже долгое время плотность записи информации на драйве­рах жестких дисков (hard disk driver, HDD) возрастает почти с по­стоянной скоростью 80—100% в год, вследствие чего ещё к 2005 году она должна была достигнуть уровня 100 гигабит/кв. дюйм, однако существуют некоторые принципиальные ограничения такого непрерывного увеличения.

Дело в том, что на магнитной плёнке запись одного бита ин­формации связана с использованием, по крайней мере, одного магнитного домена, размеры и форма которых меняются в широ­ких пределах. Поэтому магнитная дорожка записи информации, определяемая границами доменов, представляет собой ломаную (зигзагообразную) линию, что при воспроизведении записи является постоянным источником шумов. Повышение плотности записи требует, с одной стороны, уменьшения размера доменов на поверхности магнитной плёнки, а с другой – создание более «гладких» или прямолинейных границ между магнитными доменами (кристаллитами среды). Однако простое уменьшение размеров магнитных доменов приведёт лишь к усилению роли тепловых флуктуаций, в результате чего магнитная запись станет ещё менее надёжной для воспроизведения (подсчитано, что обеспечение высокой надёжности записи информации требует, чтобы на поверхности магнитных дисков каждому биту соответствовали десять доменов магнитной структуры).

Это ограничение можно преодолеть за счёт использования но­вых сред для записи информации и создания информационных массивов записи из более мелких и более упорядоченных магнит­ных доменов, т.е. за счёт новых методов структурирования запи­сывающей среды. Одним из путей решения этой задачи является создание запоминающих плёнок с магнитными доменами одина­ковых размеров и формы, что позволило бы, в принципе, создать запись, в которой одному биту информации будет соответствовать один магнитный домен.

В октябре 1999 года в исследовательском центре фирмы «Хитачи» и в лаборатории Университета Тохоку сумели создать среду, в ко­торой плотность магнитной записи достигает 300 гигабит/кв. дюйм. В обоих случаях такая плотность записи была достигнута за счёт со­здания массивов (которые можно назвать решётками) из магнитных доменов-кристаллитов одинакового размера. При этом намагничи­вание (запись информации) каждого кристаллита осуществляется раздельно. Периодичность решётки составляет около 150 нм, диа­метр каждого кристаллита равен 80 нм, а высота — 40 нм.

Такое достижение имеет принципиальный характер и от­крывает путь к крупномасштабному производству дешёвых средств магнитной записи с высокой плотностью, хотя задача в це­лом ещё требует решения ряда технических проблем (разработка считывающей головки для воспроизведения записи и т. д.). Если размер кристаллитов удастся снизить до 10 нм, то плотность запи­си может быть доведена до 1 терабит/кв. дюйм.

С другой стороны, в оптических записывающих устройствах при высокой плотности записи информации (порядка десятков гигабит/кв. дюйм) считывание информации становится невозможным. Существующая техника записи лазерным лучом позволяет дово­дить плотность до 40 гигабит/кв. дюйм, однако её применение свя­зано с дополнительными сложностями и ограничениями.

В последние годы наметилось направление исследований, позволяющее преодолеть указанные трудности. Речь идёт о методах за­писи информации, основанных на оптическом излучении ближне­го поля. Плотность записи растёт из-за уменьшения длины используемого излучения, однако его интенсивность резко спадает с удалением от поверхности.

Как показано на рисунке, излучение ближнего поля с очень малой длиной волны формируется в очень небольшой обла­сти. Технология, основанная на использовании таких локальных «световых пятен», позволяет повысить плотность записи пример­но в 1000 раз, по сравнению с существующими системами записи.

Основным элементом записывающей системы является сужаю­щееся (т.е. заострённое) оптическое волокно, в острие которого проделано крошечное отверстие с диаметром в несколько десят­ков нм (что значительно меньше длины световой волны, исполь­зуемой при облучении). «Наконечник» или остриё такого оптиче­ского волокна двигается над плоскостью записывающего диска на расстоянии всего 10—20 нм. При освещении поверхности лазер­ным лучом, через отверстие в обратном направлении «просачива­ется» излучение ближнего поля (как отмечалось выше, размеры этого отверстия примерно в 10 раз меньше длины облучающей волны). Действие светового пятна на материал поверхности при­водит к записи информации, т.е. к физико-химическим процес­сам и изменениям в записывающей среде, которые соответствуют, например, 1 биту информации (в качестве процессов записи ин­формации в среде могут использоваться фазовые изменения, ло­кальные изменения направления намагниченности, изменения коэффициента преломления среды и т. п.).

При считывании по­верхность должна облучаться волнами (длина которых соответст­вует излучению ближнего поля ??), которые после обычного процес­са дифракции будут регистрироваться собирающими линзами и фотоумножителями. Практически процесс считывания совпадает с описанным выше сканированием поверхности оптическими ми­кроскопами ближнего поля.

Пространственная разрешающая способность процессов записи и воспроизведения информации описанным методом определяется раз­мерами отверстия на острие оптического волокна, которые должны быть много меньше длины волны облучающего излучения. Лежащая в основе метода идея позволяет обойти обычные дифракционные огра­ничения и получить запись с плотностью порядка 1 терабит/кв. дюйм.

Излучение ближнего ноля, поступающее через крошечное входное отверстие на заострении волокна, обычно имеет ничтожную интен­сивность (из-за малости коэффициента пропускания) и его крайне сложно зарегистрировать. Вследствие этого почти все проблемы по­вышения скорости записи и считывания информации в устройст­вах такого типа сводятся к технологическим задачам создания сверхтонких оптических волокон со сверхмалыми отверстиями на заострённых торцах.