Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 31 (vyšlo 10. srpna), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

31/2007

Magnetický záznam bez magnetického pole

Vojtěch Hála

Každý osobní počítač, server i většina jiných počítačů obsahuje magnetický pevný disk pro záznam dat. Bitybit – základní jednotka informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda), atd. jsou ukládány ve formě magnetizaceMagnetizace – objemová hustota magnetického dipólového momentu. Jde o vektorový součet všech elementárních dipólových momentů dělený objemem látky. Jsou-li elementární magnety orientovány chaoticky, je výsledná magnetizace nulová. domén na povrchu materiálu. Zhruba řečeno, jeden směr magnetizace znamená hodnotu 1 a opačný hodnotu 0. Nejhustší takový záznam umožňují magnetooptické disky, kde je cílová oblast nejdříve zahřáta laseremLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. a pak krátkodobě vystavena magnetickému poli malé cívky, jehož směr je opačný k původní magnetizaci. Doba působení tohoto pole musí být co nejkratší v zájmu rychlosti zapisování dat, ale na druhou stranu musí být dostatečně dlouhá, aby se magnetické doményMagnetická doména – oblast elementárních magnetických dipólových momentů, které jsou uspořádány jednotným způsobem. Magnetické domény v materiálu vznikají při teplotách nižších, než je Curieova teplota. Při vyšších teplotách je uspořádání elementárních magnetů chaotické. v materiálu stihly správně pootočit.

V roce 2004 publikoval tým I. Tudosy v časopise Nature článek o svém experimentu na Stanfordském lineárním urychlovačiSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordské univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962., jehož výsledky interpretovali tak, že data nelze standardaním způsobem zapsat na magnetický materiál rychleji než za 2 pikosekundyPiko – předpona označující 10⁻¹².. To znamená mnohem větší omezení, než se dosud předpokládalo. Experiment spočíval v urychlení svazku elektronů, který kolem sebe vytvořil silné válcově symetrické magnetické pole o indukci 3 tesla. Doba trvání elektronového pulzu a tedy i magnetického pole byla kolem 2 ps. Pulz procházel skrze různé materiály používané k záznamu dat a experimentátoři zkoumali výsledný magnetizační obrazec. Místo soustředných dobře ohraničených kružnic ale získali soustředné šedé skvrny, což znamenalo, že některá zrnka materiálu byla správně zmagnetizována a jiná nikoli. Takové chaotické chování vědci očekávali až na femtosekundovýchFemto – předpona označující 10⁻¹⁵. škálách. Z experimentu nicméně vyplynulo, že 2 ps nestačí na spolehlivý záznam dat, ačkoli působící pole mělo značnou indukci, a zdálo se, že jde o nepřekonatelnou hranici.

Kupodivu už v roce 2007 byla tato bariéra prolomena. K překlápění bitůbit – základní jednotka informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda), atd. přitom však vůbec nebylo použito vnější magnetické pole ale pouze kruhově polarizované světloPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle směru elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu., což bylo do té doby považováno za prakticky nemožné. V červenci 2007 vyšel v časopise Physical Review Letters článek sedmi vědců z Nizozemska a Japonska, kteří jako první na světě byli v této technologii úspěšní.

Umělecká představa zápisu dat na médium za pomoci kruhově polarizovaného světla laseru. Pulzy laseru (červeně) mají polarizaciPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle směru elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. orientovanou pravotočivě nebo levotočivě a překlápějí magnetické bitybit – základní jednotka informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda), atd. (červené a modré šipky) mezi směry nahoru a dolů. Zdroj: C. D. Stanciu, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 047601.

Experimentátoři použili tenký film z materiálu, který se dnes pro magnetické záznamy běžně používá. Je to amorfní ferimagnetickáFerimagnetikum – systém spinů, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly opačný směr. Látka obsahuje alespoň dva druhy magneticky aktivních atomů s nestejně velikými magnetickými momenty. Výsledkem je nenulová (permanentní) magnetizace materiálu po odstranění magnetického pole. Typickým příkladem je oxid železa, karbonát bária nebo karbonát stroncia. slitina gadolinia, železa a kobaltu, jejíž Curieova teplotaCurieova teplota – teplota fázového přechodu u magneticky aktivních materiálů. Nad touto teplotou jsou elementární magnety uspořádány chaoticky, pod touto teplotou se vytvářejí magnetické domény jednotně uspořádaných elementárních magnetů a materiál má magnetické vlastnosti. je 500 kelvinů. Použitý infračervený laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. o vlnové délce 800 nm byl safírový, dotovaný titanem. Z analýzy magnetizačních obrazců, které v materiálu vznikly působením různě polarizovaných a různě intenzivních pulzů, vyplývá dvojí úloha laseru v tomto procesu. Materiál částečně pohltí energii gaussovského pulzu, což jej zahřeje na pouhý 1 mK pod Curieovu teplotuCurieova teplota – teplota fázového přechodu u magneticky aktivních materiálů. Nad touto teplotou jsou elementární magnety uspořádány chaoticky, pod touto teplotou se vytvářejí magnetické domény jednotně uspořádaných elementárních magnetů a materiál má magnetické vlastnosti.. Blízko této teploty diverguje magnetická susceptibilitaMagnetická susceptibilita – koeficient úměrnosti χ_M mezi magnetizací a intenzitou magnetického pole: M = χ_MH., takže materiál je extrémně citlivý k magnetickým vlivům. Druhý efekt laseru je inverzní Faradayův jevFaradayova rotace – magnetické pole rovnoběžné se směrem šíření paprsku stáčí polarizační rovinu úměrně indukci pole a vzdálenosti, kterou prošel paprsek: α = V·B·d ; α je úhel stočení, V Verdetova konstanta, B indukce magnetického pole a d prošlá vzdálenost.. Kruhově polarizované světloPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle směru elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. při něm působí podobně jako magnetické pole směřující podél vlnového vektoru světla. Je-li cílová doména zmagnetizována opačně, dojde k předání momentu hybnosti fotonůFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. na spinySpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. v materiálu, což znamená překlopení bitubit – základní jednotka informace, která nabývá dvou hodnot (ano/ne), (0/1), (pravda/nepravda), atd.. Stačí k tomu pulz o plošné hustotě energie 2,9 mJ/cm², který trvá jen neuvěřitelných 40 femtosekund (10⁻¹⁵ s). Průměr výsledné magnetické tečky na povrchu materiálu je kolem 50 nanometrů.

Pokusy byly prováděny na vzduchu při pokojové teplotě, nevyžadují tedy žádné speciální podmínky, které by technologii zdražovaly. Poprvé není třeba žádného magnetického pole, jeho úlohu zcela převzal laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Experimentátoři zdůrazňují, že změna magnetizaceMagnetizace – objemová hustota magnetického dipólového momentu. Jde o vektorový součet všech elementárních dipólových momentů dělený objemem látky. Jsou-li elementární magnety orientovány chaoticky, je výsledná magnetizace nulová. v materiálu je trvalá a její charakter je přesně řízen helicitouHelicita – točivost, šroubovitost vektorového pole. Pro pole A je hustota helicity definována jako A·rotA. laserového pulzu. Mohla by to být cesta k nové generaci levných záznamových médií s rekordní rychlostí zápisu, který se děje výhradně optickou cestou. Nizozemský experimentátor Theo Rasing dal novou technologii patentovat a věří, že dojde komerčního úspěchu. Překážkou zatím může být výroba miniaturního laseru se všemi potřebnými vlastnostmi zaměřitelného na oblast o velikosti 50 nm, což je mnohem méně než jeho vlnová délka. Nicméně nová slibná technologie záznamu je k dispozici.

Působení kruhově polarizovaného světlaPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle směru elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. na magnetické doményMagnetická doména – oblast elementárních magnetických dipólových momentů, které jsou uspořádány jednotným způsobem. Magnetické domény v materiálu vznikají při teplotách nižších, než je Curieova teplota. Při vyšších teplotách je uspořádání elementárních magnetů chaotické. v Gd22Fe74,6Co3,4. Obraz domén byl vytvořen rychle se pohybujícím (~50 mm/s) laserovým pulzem po povrchu materiálu. Každý jednotlivý pulz ovlivnil konkrétní doménu. Zdroj: C. D. Stanciu, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 047601.

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu