СПОСОБ ТОРОИДНОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G11B5/00 G11B5/852 

Изобретение относится к области магнитной записи на различных видах носителей и воспроизведению сигналов и может быть использовано в технике с реверсивными цифровыми запоминающими устройствами с высоко плотной записью: для хранения больших массивов данных (научные исследования, прогнозирование климата, навигация, моделирование сложных систем, библиотечное дело, ведение архивов, финансы и т.д.), особенно в миниатюрных переносных и бортовых компьютерах, для изготовления магнитных кредитных карточек повышенной надежности, для обеспечения недорогой цифровой аудио- и видеозаписи и др.

Аналогами изобретения являются способы магнитной записи, основанные на использовании 1) продольно или 2) поперечно расположенных на носителе частиц, обладающих магнитными дипольными моментами. Для записи-чтения информации используется относительное перемещение носителя с частицами и магнитной головки, которая при записи генерирует, а при воспроизведении регистрирует однородное по направлению и переменное по значению напряженности магнитное поле. Плотность записи в этом случае обеспечивается на уровне 10⁸ - 10⁹ бит/см² [1,2].

К недостаткам аналогов относятся ограничения на плотность записи из-за жесткого сцепления магнитных частиц (доменов) - носителей отдельных битов информации при уплотнении, возможность потери информации при воздействии внешних полей, а также использование при чтении-записи механически движущихся с высокими скоростями узлов. Последнее обстоятельство ограничивает время эксплуатации носителей и надежность соответствующих устройств, приводит к потерям энергии на преодоление сил инерции и трения, кроме того, движущиеся узлы создают дискомфортные для человека шумы.

Наиболее близким к изобретению является способ магнитной записи и воспроизведения с носителя магнитной записи, предусматривающий взаимодействие намагниченных частиц носителя с управляющим магнитным полем, которое изменяет ориентацию моментов этих частиц при записи, и регистрацию параметров намагниченных частиц при воспроизведении. При этом на концентрически замкнутые конфигурации - агрегаты частиц носителя воздействуют вихревым магнитным полем, изменяющим тороидный момент агрегатов, а при воспроизведении регистрируют электрическое поле, возбуждаемое движущимся агрегатом частиц [3].

Два состояния намагниченности таких агрегатов, принимаемых за "нуль" и "единицу" в цифровом коде, отличаются противоположными (по часовой стрелке или против) направлениями вихря намагниченности и соответственно противоположно ориентированными векторами тороидных моментов (фиг. 1, 2).

Плотность упаковки агрегатов частиц с тороидной намагниченностью практически ограничена только их материальными размерами в силу слабого взаимодействия между агрегатами. Современные методы нанотехнологии позволяют получать однодоменные ферромагнитные частицы с размерами 1 -10 нм и более с намагниченностью насыщения порядка 300 Гс. Например, агрегат из четырех таких частиц обладает тороидной намагниченностью с напряженностью кругового магнитного поля между частицами агрегата около 10³ Э, что достаточно для устойчивости агрегата и, таким образом, для надежного долговременного хранения информации. Так как каждый такой агрегат может хранить 1 бит информации, а площадь агрегата составляет 10 - 100 нм², то плотность записи будет достигать 10¹² - 10¹³ бит/см².

К недостаткам прототипа относятся необходимость при воспроизведении обеспечивать с целью чтения отдельного бита информации быстрое перемещение узла чтения относительно носителя хранимой информации, неэффективное (нерегистрируемое современными электронными средствами) при нерелятивистских скоростях значение электрического поля, возбуждаемого движущимися частицами, а при записи труднодостижимое значение тороидного момента, необходимого для возможности вихревого перемагничивания агрегата с помощью переменного электрического поля. Кроме того, в [3] предполагается, что в качестве источника вихревого магнитного поля, необходимого для перемагничивания частиц с тороидными моментами, используется переменное электрическое поле плоского конденсатора. Упомянутое устройство технически не в состоянии обеспечить высокой степени локализации вихревого поля в пределах размеров одного агрегата, имеющего, как было указано, нанометрические размеры.

Задачей изобретения является повышение плотности магнитной записи.

Задача решается тем, что в способе тороидной записи и воспроизведения информации, заключающемся в воздействии электрическим и магнитным полями на агрегаты частиц, обладающих тороидной магнитной поляризуемостью, при записи информации агрегаты частиц перемагничивают локализованным в пределах одного агрегата переменным электрическим и продольным подмагничивающим полями, а при воспроизведении информации переменным продольным магнитным полем вызывают процессию магнитных диполей агрегата частиц и образованное агрегатом переменное электрическое поле детектируют по фазе.

Новыми признаками, обеспечивающими решение задачи, являются:
при чтении информации используются продольное подмагничивающее частицы несущее высокочастотное магнитное поле и нанометрическая игла, сравнимая по толщине с размерами отдельного тороидного агрегата, что позволяет индуцировать на игле за счет колебаний тороидного момента отдельного агрегата электродвижущую силу, модулированную по фазе;
при записи применяется подмагничивание агрегата постоянным продольным магнитным полем, уменьшающим тороидный момент агрегата за счет уменьшения азимутальных проекций магнитных моментов входящих в его состав атомов, что в свою очередь позволяет использовать для перемагничения агрегатов практически реализуемые с помощью нанометрической иглы значения переменного электрического (вихревого магнитного) поля, локализуемого в пределах отдельного агрегата.

Совокупность указанных признаков позволяет повысить плотность магнитной записи до 10¹² - 10¹³ бит/см².

В качестве примера осуществления способа рассмотрим устройство для его реализации, схема которого изображена на фиг. 3. На схеме обозначены: 1 - иглообразный электрод, 2 - токопроводящая подложка, 3 - слой ферромагнитных частиц, 4 - электромагнитная катушка.

Носитель тороидных частиц или агрегатов представляет собой токопроводящую подложку с нанесенным на нее тонким слоем ферромагнитных частиц размером 1 - 10 нм (могут быть использованы частицы и большего размера, что, однако, снижает плотность записи). Для конкретного носителя частицы ферромагнетика должны быть изготовлены из окислов кобальта или других ферромагнетиков, применяемых в целях цифровой магнитной записи. Частицы группируют в виде последовательности из отдельных замкнутых агрегатов, состоящих из 3 - 5 или более частиц; агрегаты выполняют функцию логических единиц за счет их свойств, возникающих при тороидальном намагничивании. Для изготовления подложки можно, например, использовать тонкий (10 нм) слой висмута, нанесенный на диэлектрик, который обеспечивает механическую прочность конструкции. Размеры отдельной платы, используемой как носитель, определяются возможностями механизма прецизионного перемещения головки чтения-записи.

Головка чтения-записи представляет собой матрицу с множеством нанометрических игл, фиксированных в диэлектрике. Размер матрицы с иглами может быть выбран, например, 10 х 10 мм², высота игл - 1 мм, а толщина игл должна быть сравнима с размерами агрегатов из нанометрических частиц (в рассматриваемом примере - 10 нм). Количество игл в головке ограничивается технологическими соображениями, например матрица 100 х 100 = 10000 игл реализуется на площади 10 х 10 мм² и обеспечивает чтение-запись блока информации в 10000 бит за один цикл без перемещения головки.

Подмагничивающая электромагнитная катушка создает продольное однородное магнитное поле (в режиме записи - постоянное, в режиме воспроизведения - переменное) в рабочем слое тороидных частиц непосредственно под головкой чтения-записи. Максимальная напряженность индуцируемого катушкой поля должна быть, с одной стороны, достаточно велика, чтобы облегчить вихревое перемагничение частиц относительно небольшими токами смещения, с другой стороны, строго меньше значений напряженности поля в каждом из тороидальных агрегатов, составленных из элементарных наночастиц, чтобы не произошло случайного перемагничения агрегатов частиц. Например, при величине напряженности поля внутри агрегата в 1000 Э напряженность поля катушки должна быть около 800 Э.

Прецизионное устройство обеспечивает относительное перемещение носителя магнитной среды и головки чтения-записи в X, Y-плоскости. Такие устройства используются в сканирующих туннельных микроскопах.

Электронный блок обеспечивает при записи на нанометрических иглах пилообразное импульсное напряжение: для "нуля" - крутой нарастающий и пологий ниспадающий фронты, для "единицы" - наоборот. При воспроизведении блок позволяет осуществлять регистрацию индуцированного на иглах переменного напряжения, а также регистрацию противоположных фаз ЭДС у "нуля" и "единицы".

Устройство работает следующим образом.

При записи для обеспечения необходимых условий вихревого перемагничения отдельного агрегата на него воздействуют подмагничивающим однородным или изменяющимся полем, создаваемым катушкой 4. Вектор напряженности указанного поля направлен соосно вектору тороидного момента, что уменьшает азимутальную составляющую магнитного поля агрегата и, таким образом, позволяет использовать для перемагничения этого "подмагниченного" агрегата приемлемые (достаточно низкие) значения вихревого магнитного поля.

Для обеспечения локализации переменного электрического поля в области пространства, занятого отдельным агрегатом с тороидным намагничением, используется игольчатый электрод или система электродов того же типа, как это делается в сканирующем туннельном микроскопе. При этом толщина электрода(ов) выбирается сравнимой с размерами отдельного агрегата. Ток смещения, образующийся между электродом 1 (фиг. 3) и металлической подложкой 2, над которой находится запоминающая среда 3, индуцирует вихревое магнитное поле

которое при наличии подмагничивающего однородного или изменяющегося магнитного поля может обеспечить перемагничение лишь одного агрегата частиц, находящегося в данный момент напротив электродов. Необходимая нанометрическая точность относительного перемещения электродов и поверхности носителя обеспечивается устройствами, аналогичными тем, которые используются для управления электродом в сканирующей туннельной микроскопии.

При считывании информации для определения ориентации тороидного момента отдельной частицы (агрегата частиц) создается подмагничивающее переменное магнитное поле путем подачи на катушку 4 переменного напряжения, что вызывает осцилляцию модуля тороидного момента агрегата. Как известно, вокруг осциллирующего тороидного момента возникает переменное электрическое поле, которое может быть зарегистрировано электродом 1. При этом агрегаты с двумя противоположными ориентациями тороидных моментов индуцируют электрические поля, отличающиеся друг от друга по фазе на 180^o, что может быть зарегистрировано.

Пусть на электроды 1 и 3 (фиг. 3) подается переменное напряжение. В результате в области расположения агрегатов возникает вихрь магнитного поля , который периодически изменяется со временем (фиг. 4, а). Напряженность этого поля выбирается такой, что его недостаточно для перемагничения агрегатов. Для достижения последнего одновременно в положительные полупериоды изменения вихря поля катушкой 4 создают переменное однородное магнитное поле (фиг. 4, б) так, чтобы область изменения полей 2 выходила за пределы области существования метастабильных состояний 1 тороидно намагниченного агрегата (фиг. 5). Тогда, если первоначально тороидный момент был направлен в сторону, противоположную направлению вихря поля, он переориентируется на противоположное направление, а в противном случае сохранит свое направление. Если же магнитное поле подается в отрицательные полупериоды изменения вихря поля (фиг. 4, в), то частицы будут перемагничиваться в направлении, соответствующим этой (отрицательной) ориентации вихря поля. На фиг 5 показана область значений вихревого и однородного магнитных полей (1), в которой сохраняется исходная ориентация тороидного момента частицы (заштриховано). Прямоугольником выделена область 2 изменения вихря поля и однородного поля в процессе перемагничения частицы в положительном направлении (соответствует графикам на фиг. 4, а, б). Область 3 соответствует случаю, когда однородное поле включается в отрицательные полупериоды изменения вихря поля. Эта область соответствует характеру изменения полей, показанному на фиг. 4 a, в.

Для считывания информации на носителе, например, с помощью катушки 4 (фиг. 3) создается переменное магнитное поле h = h₀cosωt с частотой ω и достаточно малой амплитудой h₀, чтобы не происходило случайного перемагничения частиц. В результате частицы будут слабо намагничиваться этим полем, причем для намагниченности M может быть записано выражение:
M = M₀cosωt = χh₀cosωt, (2)
где
χ - магнитная восприимчивость частицы. Поскольку при намагничении спиновые моменты атомов ферромагнетика изменяют свою ориентацию, оставаясь постоянными по величине, то это одновременно приводит к уменьшению тороидного момента агрегата частиц за счет уменьшения азимутальной проекции магнитного момента каждого атома. При этом связь между магнитным и тороидным моментами приближено может быть записана в виде
M² + JN² = const. (3)
Так как в отсутствии поля было M = O и T = T₀, то постоянная в правой части уравнения (3) может быть записана в виде const = J T20

Отсюда следует, во-первых, что δT(t) будет изменяться с удвоенной частотой по сравнению с частотой изменения переменного поля h(t) и, во-вторых, что два состояния намагниченности частицы с противоположными значениями тороидных моментов +/T₀/ и -/T₀/ будут иметь противоположные значения фазы изменения величины δT(t) , которая прямо пропорциональна величине индуцируемого колеблющимся тороидом электрического поля. Таким образом, при считывании информации на электроде 1 (фиг. 3) следует регистрировать значение фазы индуцируемого напряжения на частоте 2ω.

К преимуществам способа относятся
высокая плотность записи - до 10¹² - 10¹³ бит/см²;
малая удельная стоимость единицы записываемой информации - в 100 - 1000 раз меньше, чем у аналогов;
устойчивость к электро- и магнитным полям с малыми градиентами;
возможность реализации информационных систем с принципиально новыми свойствами за счет актуализации супербольших баз данных.

Полезными свойствами способа являются актуальность применения во многих областях деятельности; реверсивность обеспечиваемой записи; сравнимость скорости чтения-записи с аналогами; малое удельное энергопотребление на единицу информации; технологичность реализации; компактность носителя и устройства чтения-записи; малый вес устройства и носителя.

Источники информации:
1. Гитлиц М.В. Магнитная запись сигналов. - М.; Радио и связь, 1990, 232 с.

2. Василевский Ю. А. Носители магнитной записи. - М.: Искусство, 1989, 287 с.

3. Дубовик В.М., Марценюк А.М., Марценюк Н.М. Перемагничение агрегатов магнитных частиц вихревым полем и использование тороидности для записи информации. Препринт ОИЯИ, Р17-92-541, 1992.

Изобретение относится к магнитной записи на различных видах носителей и ее воспроизведению, хранению больших массивов данных, особенно в переносных и бортовых компьютерах, изготовлению кредитных карточек повышенной надежности. В данном техническом решении воздействуют на носитель - торообразные агрегаты ферромагнитных частиц при записи информации продольным подмагничивающим полем и локализованным переменным электрическим полем, а при воспроизведении - переменным продольным магнитным полем. Это вызывает осцилляцию тороидного момента агрегата, который создает при этом детектируемое по фазе переменное электрическое поле. Данный способ обеспечивает повышенную плотность магнитной записи. 5 ил.

Способ тороидной записи и воспроизведения информации, заключающийся в воздействии электрическим и магнитным полями на агрегаты магнитных дипольных частиц, обладающие тороидной поляризацией, отличающийся тем, что при записи информации агрегаты частиц перемагничивают локализованным в пределах одного агрегата переменным электрическим и продольным подмагничивающим полями, а при воспроизведении информации переменным продольным магнитным полем вызывают колебания магнитных диполей частиц агрегата и индуцированное агрегатом переменное электрическое поле детектируют по фазе.