1. معرفی سیستم ذخیره‌سازی افقی
در نسل قدیم محیط‌های نانودانه‌ای (محیط‌های لایه نازک) و همچنین محیط نانوذره‌ای، از روش ذخیره‌سازی افقی استفاده می‌شد اما به دلیل مشکلاتی که در این روش وجود دارد و ظرفیت کمی که این روش ارائه می‌دهد، روش ذخیره‌سازی عمودی جایگزین آن شد. عملکرد سیستم ذخیره‌سازی افقی مشابه شکل 1 است. در این سیستم جهت مغناطش دومین‌های مغناطیسی در جهت موازی با لایه نازک (جهت افقی) قرار دارد و صفر و یک بیت‌ها همان تغییر قطبشی (تغییر مغناطشی) است که به صورت افقی رخ می‌دهد. در واقع در این روش، دانه‌های سازنده یک دومین (در مورد استفاده از این کلمه در مقاله معرفی هاردهای مغناطیسی و تأثیر فناوری نانو توضیحاتی ارائه شد) همگی به صورت افقی مغناطیسی شده‌اند.

شکل 1- روش ذخیره‌سازی افقی که در آن تغییر قطبش در جهت افقی، بیت‌های اطلاعات را می‌سازد.

چالش‌های فراوانی در هنگام ذخیره‌سازی افقی وجود دارد. علاوه بر چالش‌های سه گانه تریلما یعنی هماهنگی بین سه خواسته توانایی در خواندن، توانایی در نوشتن و پایداری حرارتی، مشکلات دیگری در روش ذخیره‌سازی افقی وجود دارد. یکی از مشکلات میدان مغناطیس‌زدا در ناحیه گذار است که این موضوع تنها در این نوع روش ذخیره‌سازی یک معضل محسوب می‌شود.

2. چالش میدان مغناطیس‌زدای گذار در روش افقی
هر دوقطبی مغناطیسی (آهنربای مغناطیسی) در اطراف خود یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. اگر مطابق شکل 2، یک دوقطبی دیگر در مجاورت دوقطبی اول قرار گیرد، به نحوی که قطب‌های همنام در مجاورت یکدیگر باشند، به دلیل خاصیتی که کاملاً شناخته شده است (قطب‌های ناهمنام همدیگر را دفع می‌کنند) دو قطبی دوم می‌چرخد تا قطب ناهمنام آن در مجاورت دوقطبی اول قرار گیرد. اگر امکان چرخش برای دوقطبی وجود نداشته باشد، درست مشابه حالتی که در قسمت ب در شکل 2 نشان داده شده است، یک میدان مغناطیسی خارجی مخالف جهت مغناطش اولیه ماده به آن اعمال شود؛ بسته به قدرت این میدان خارجی، می‌تواند ماده مغناطیسی در یکی از نواحی 2 و 3 قرار گیرد.

شکل 2- نمایش برهمکنش دوقطبی‌ها

در سیستم ذخیره‌سازی لایه نازک، هر دانه (و همین طور مجموعه‌ای از دانه‌های با یک جهت مغناطیسی) همانند یک دو قطبی مغناطیسی عمل می‌کند. اگر ناحیه گذار (همان ناحیه تغییر جهت مغناطش که صفر و یک را می‌سازند) که در شکل 3 نمایش داده شده است، در نظر گرفته شود، میدان توصیف شده در بند بالا که از مجموعه دانه‌های یک سوی مرز ایجاد می‌شود، می‌تواند بر روی هر دانه آن سوی دیگر مرز (مشابه آن‌چه در بند بالا مشخص شد) اثرگذار باشد؛ اصطلاحاً این میدان را میدان ثبات‌زدا (Destabilizing field) یا میدان مغناطش‌زدا می‌نامند؛ چون مغناطش آن سوی مرز را از بین می‌برد. این پدیده چون موجب می‌شود دانه‌های سوی دیگر مرز تحت تأثیر قرار گیرند، بنابراین موجب می‌شود عرض ناحیه گذار گسترده‌تر شود و کیفیت سیگنال کاهش یابد.

شکل 3- نمایش ناحیه گذار که صفر و یک اطلاعات در این ناحیه ایجاد می‌شود.

مشخص است که میدان مغناطیس یک دوقطبی، در نزدیکی قطب‌ها بیشتر است و چون دانه‌ها در سیستم ذخیره‌سازی افقی، به صورت افقی مغناطیسی شده‌اند، بنابراین میدان مغناطیس‌زدا نسبتاً قوی است. برای افزایش ظرفیت باید اندازه دانه‌ها را کاهش داد. سد انرژی که انرژی لازم برای تغییر جهت قطبش مغناطیسی دانه‌هاست، از رابطه K_uV به دست می‌آید که در آن K_u ثابت ناهمسانگردی و V حجم دانه‌هاست. افزایش ظرفیت حافظه مغناطیسی از طریق کاهش مساحت سطحی دانه‌ها حاصل می‌شود. با این کاهش، حجم دانه‌ها نیز کاهش می‌یابد؛ بنابراین با توجه به فرمول، سد انرژی نیز کاهش نشان می‌دهد. با کاهش سد انرژی، میدان مغناطیس‌زدا راحت‌تر می‌تواند جهت مغناطش دانه‌ها را تغییر دهد. این نشان می‌دهد که متأسفانه رابطه مستقیمی بین افزایش ظرفیت و افزایش میدان مغناطیس‌زدا وجود دارد.

3. چالش‌های سه گانه تریلما در روش افقی
یکی از مشکلات ذخیره‌سازی افقی، پدیده سوپرپارامغناطیس است. با کاهش مساحت دانه‌ها (به انگیزه افزایش SNR و ظرفیت)، مشکل پدیده سوپرپارامغناطیس به دلیل کاهش سد انرژی رخ می‌دهد. دو راهکار برای غلبه بر این مشکل به نظر می‌رسد؛ یکی افزایش حجم و دیگری افزایش ثابت ناهمسانگردی. برای افزایش حجم (در حالی که مساحت سطحی دانه‌ها افزایش نیابد، چون اگر افزایش یابد ظرفیت کم می‌شود) تنها راه حل افزایش ضخامت لایه نازک است. افزایش ضخامت لایه نازک، میدان مغناطیس‌زدای گذار را افزایش می‌دهد؛ از این‌رو این راه کار در ذخیره‌سازی افقی قابل استفاده نیست. علت افزایش این میدان به این مرتبط است که با افزایش ضخامت، گویی که یک آهنربای ضخیم‌تر با مغناطش خارجی تولیدی بیشتری وجود دارد و مسلماً هر چه میدان خارجی بیشتر باشد، تأثیر آن بر دانه‌های سوی دیگر گذار بیشتر خواهد بود.

راهکار دوم یعنی افزایش ثابت ناهمسانگردی گرچه می‌تواند به دلیل افزایش سد انرژی هر دو مشکل میدان مغناطیس‎زدا و پدیده سوپرپارامغناطیس را حل کند، اما مشکل دیگری که توانایی نوشتن است، بروز می‌کند؛ چون همان‌گونه که افزایش ثابت ناهمسانگردی سد انرژی را بر دو پدیده نامطلوب سوپرپارامغناطیس و میدان مغناطیس‌زدا افزایش می‌دهد، همان گونه سد انرژی را برای میدان مغناطیسی خارجی لازم برای نوشتن افزایش می‌دهد. از برآیند این مطالب مشخص است که روش ضبط افقی اطلاعات قادر نیست در ظرفیت‌های بالا مورد استفاده قرار گیرد. در این سیستم ذخیره‌سازی، توانایی در نوشتن نیز وضعیت مناسبی ندارد. به همین جهت روش جدیدی به نام روش ضبط عمودی اطلاعات برای ظرفیت‌های بالاتر مطرح شده است. روش ذخیره‌سازی عمودی مشکلات میدان مغناطیس‌زدای گذار، پدیده سوپرپارامغناطیس و توانایی در نوشتن و خواندن را به طور مؤثری حل می‌کند.

4. معرفی ضبط عمودی اطلاعات
با توجه به مشکلات موجود در روش ذخیره‌سازی افقی خصوصاً در ظرفیت‌های بالا، روش ذخیره‌سازی عمودی به عنوان جایگزین روش افقی مطرح شد. از سال 2005، این روش ذخیره‌سازی وارد بازار شد. با روش ذخیره‌سازی عمودی می‌شود به ظرفیت ماکزیمم 2 تا 3 ترابیت بر اینچ مربع (2-3 Tbits/in²) رسید در حالی که در روش ضبط افقی اطلاعات، حداکثر ظرفیت قابل دستیابی در حدود 200 گیگابیت بر اینچ مربع (200 Gbits/in²) است. ممکن است مرز حداکثر ظرفیت دستیابی با این دو روش دقیقاً این مقادیر نباشد چون در واقع محدویت دستیابی به ظرفیت‎های بالاتر در این روش‌ها، تکنولوژیک است و نه یک قانون علمی؛ بنابراین دقیقاً مرز خاصی برای حداکثر ظرفیت وجود ندارد.

مطابق شکل 4 در روش ذخیره‌سازی عمودی به جای این‌که دانه‌ها در جهت افقی مغناطیسی شوند، در جهت عمود بر لایه نازک مغناطیسی می‌شوند. بنابراین دومین‌ها نیز که از مجموعه دانه‌ها تشکیل شده‌اند، به صورت عمودی مغناطیسی شده‌اند. با توجه به شکل 4 مشخص است که در روش عمودی، از میدان یکی از قطب‌های مغناطیسی برای مغناطش استفاده می‌شود در حالی که در روش افقی، از میدان‌های کناری (Fringe field) برای مغناطیسی کردن دانه‌ها استفاده می‌شود. این موجب می‌شود که قدرت میدان در روش عمودی بهتر باشد؛ بنابراین از همین جا مشخص است که در روش ضبط اطلاعات به صورت عمودی، توانایی در نوشتن بهتر از روش افقی است.

شکل 4- نمایش نحوه ذخیره‌سازی اطلاعات در روش افقی در a، و نحوه ذخیره‌سازی اطلاعات در روش عمودی در b.

5. میدان مغناطیس‌زدای گذار در روش عمودی
در روش عمودی از آن‌جا که دانه‌ها به صورت عمودی مغناطیسی شده‌اند، میدان مغناطیس‌زدا تفاوت‌های اساسی با روش افقی دارد. شکل 5، تفاوت میدان مغناطش‌زدا را برای حالت افقی و عمودی نشان می‌دهد. توجه شود که در این شکل، جهت دوقطبی‌های مغناطیس نشان داده شده جهت قطبش دومین‌هاست و نه جهت قطبش دانه‌ها و هر کدام از دومین‌ها از تعداد زیادی دانه تشکیل شده است. در بخش الف شکل 5، میدان مغناطیس‌زدا با رنگ قرمز مشخص شده است. مشاهده می‌شود که در روش افقی (در سمت چپ شکل الف)، میدان مغناطیسی دومینی که در سمت چپ قرار گرفته، تأثیر منفی شدیدی بر میدان مغناطیسی دومین سمت راست دارد؛ چون میدان از انتهای خود قطب (در اینجا N) سرچشمه می‌گیرد. اما در حالت عمودی (در سمت راست شکل الف)، میدان مغناطیسی دومین سمت چپ تأثیر منفی بر روی مغناطش دومین سمت راست ندارد، بلکه آن را تقویت می‌کند. شکل ب همان مطلب شکل الف را برای کل مسیر بسته میدان برای روش ضبط عمودی نشان می‌دهد.

شکل 5- الف) تفاوت میدان مغناطش‌زدا در هنگام گذار از یک دومین به دومین دیگر در روش افقی و عمودی و ب) میدان مغناطیس‌زدا در روش عمودی

ممکن است با توجه به شکل 5 این سؤال مطرح شود که وضعیت‌های بررسی شده برای حالت‌های مرتبط با بیت یک اطلاعات بود، اگر به جای این شکل، بیت صفر موجود بود در این صورت آیا در سیستم عمودی میدان دومین سمت چپی تأثیر منفی بر روی دومین سمت راستی ندارد؟ پاسخ بدین سوال به این صورت است که اولاً میدان مغناطیس‌زدا در حالت بیت یک اطلاعات وضعیت وخیم‌تری دارد. ثانیاً دلیل مهم‌تر این که اهمیت و تأثیر میدان مغناطیس‌زدا در هنگام گذار و بر روی دانه‌های سمت دیگر مرز است؛ در حالت افقی میدان خارجی دومین مجاور بر روی دانه‌های دومین دیگر بسیار شدید است، چون میدان خارجی دومین به دلیل ماهیت افقی در نزدیکی گذار، بسیار زیاد است در حالی که در حالت عمودی به دلیل ماهیت آن در ناحیه میانی دومین‎ها، میدان مغناطیسی خارجی قوی است و در مناطق گذار، تأثیر میدان مغناطیسی خارجی دومین‌ها کمتر می‌شود (شکل 6).

شکل 6 وضعیت میدان مغناطیس‌زدا را برای دو حالت افقی و عمودی نشان می‌دهد. در روی شکل (a) پارامتر M، مغناطشی که توسط خود دومین تولید می‌شود را نشان می‌دهد و پارامتر H_d نمایش میدان مغناطیس‌زداست (میدان مغناطیسی دومین مجاور بر روی دومین دیگر). H_d در حالت افقی در مرز (ناحیه گذار) بیشتر است در حالی که در حالت عمودی، نه در مرز که در ناحیه میانی دومین‌ها بیشتر است. در شکل (b) مغناطش کل ماده با در نظر گرفتن مجموعه هر دو میدان M (میدان داخلی) و میدان H_d (میدان خارجی) حاصل شده است. کاملاً مشخص است که در حالت عمودی، در هنگام گذار، یک تغییر جهشی در میدان مغناطیسی مجموع رخ می‌دهد، در حالی که در حالت افقی، میدان مجموع به صورت تدریجی تغییر می‌کند. بنابراین در حالت عمودی، سیگنال گذار کاملاً قوی است (قسمت پایینی شکل)، در حالی که سیگنال برای حالت افقی تدریجی تغییر می‌کند.

شکل 6- وضعیت میدان مغناطیس‌زدا در حالات مختلف

میدان مغناطیس‌زدا در حالت افقی با افزایش ضخامت نمونه، همان گونه مشخص شد، افزایش می‌یابد. عکس این مطلب برای حالت عمودی درست است؛ میدان مغناطیس‌زدا در حالت عمودی با افزایش ضخامت نمونه کمتر می‌شود. شکل 7، میدان مغناطیس‌زدا را برای دو حالت افقی و عمودی در ضخامت‌های 10 و 20 نانومتر نشان می‌دهد.

شکل 7- نمایش میدان مغناطیس‌زدا برای (a) حالت افقی و (b) حالت عمودی.

با توجه به قابلیت افزایش ضخامت در روش عمودی، می‌شود ضخامت را افزایش داد. بنابراین در اندازه ثابت سطحی دانه‌ها، ضخامت بیشتری داشت که نتیجه آن سیگنال بهتری است. شکل 8 ضخامت زیاد دانه‌ها را در روش عمودی در قسمت (a) نشان می‌دهد.

شکل 8- نمایش (a) مقطع از دانه‌ها در روش ضبط عمودی اطلاعات، (b) دید از بالا از دانه‌ها در روش ضبط عمودی

6. مشکل پایداری در برابر گرما
از چند جهت، وضعیت پایداری در سیستم ذخیره‌سازی عمودی در مقایسه با سیستم افقی بهبود نشان می‌دهد. با توجه به فرمول سد انرژی (E_b=K_uV)، با افزایش ثابت ناهمسانگردی می‌شود پدیده سوپرپارامغناطیس را به تأخیر انداخت. مشکل افزایش ثابت ناهمسانگردی در تریلما، عدم توانایی در نوشتن است؛ اما در این سیستم عمودی آن‌گونه که در ادامه توضیح داده می‌شود، هد مغناطیسی رایت، میدانی دو برابر مؤثرتر از میدان روش افقی تولید می‌کند، بنابراین می‌شود ثابت ناهمسانگردی را افزایش داد.

راه دیگر افزایش پایداری، افزایش حجم است. در روش افقی، افزایش حجم متناظر با افزایش مساحت دانه‌ها بود (به خاطر وجود میدان مغناطیس‌زدا امکان کاهش ضخامت وجود نداشت) که آن نیز منجر به کاهش ظرفیت می‌شد. در روش ضبط عمودی، چون افزایش ضخامت تأثیری بر میدان مغناطیس‌زدا ندارد، می‌توان ضخامت را افزایش داد بدون این که مساحت سطحی دانه‌ها افزایش یابد. بنابراین با هر دو روش استفاده از افزایش حجم (افزودن ضخامت) و افزایش ثابت ناهمسانگردی می‌شود پدیده سوپرپارامغناطیس را به تدخیر انداخت.

7. بهبود مشکل توانایی در نوشتن
یکی از مشکلات روش ضبط افقی، عدم امکان اعمال میدان مغناطیسی قوی است. چنین مشکلی خصوصاً وقتی برای غلبه بر مشکل سوپرپارامغناطیس از مواد با ثابت ناهمسانگردی بالا استفاده می‌شود، بیشتر خود را نشان می‌دهد. در مقایسه با آن، روش ضبط عمودی اطلاعات، توانایی اعمال میدان مغناطیسی مؤثرتری را دارد. در روش افقی چون از میدان‌های جنبی استفاده می‌شود، قدرت لازم برای مغناطیسی کردن مواد با ناهمسانگردی بالا وجود ندارد، در حالی که در روش عمودی، از میدانی که در امتداد قطب مغناطیسی قرار دارد، برای مغناطش بیت‌ها استفاده می‌شود؛ بنابراین قدرت میدان بیشتر خواهد بود (شکل 9).

در روش ذخیره‌سازی عمودی در قسمت زیرین و پایین‌تر از لایه اصلی (لایه‌ای که برای ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌شود)، لایه‌ای مغناطیسی که از جنس یک ماده مغناطیس نرم است، قرار دارد که به این لایه، که نقش مؤثری در بهبود توانایی در نوشتن دارد، Soft Under layer (SUL) می‌گویند. وجود لایه SUL موجب می‌شود که تأثیر میدان مغناطیسی 1/5 تا 2 برابر بهبود یابد. شکل 9 جایگاه و عملکرد این لایه را نشان می‌دهد. میدان مغناطیسی از یک تک قطب (monopole) شروع می‌شود و ابتدا میدان از لایه ذخیره‌سازی اطلاعات گذشته و سپس از لایه SUL عبور کرده و در نهایت از طریق لایه SUL، به قطب دیگر که در ناحیه دیگری قرار دارد، می‌رسد. به دلیل استفاده از لایه SUL، این امکان وجود دارد که از یک تک قطب، آن هم به شکل عمودی استفاده کرد که در نتیجه آن، میدان مغناطیسی لازم برای نوشتن بهبود می‌یابد.

شکل 9- نمایش لایه SUL و تک قطب مغناطیسی برای ضبط اطلاعات

به صورت ایده‌آل، لایه SUL، باید ضخامت و تراوایی مغناطیسی بی نهایت داشته باشد. ضخامت زیاد باعث می‌شود تا لایه SUL قادر باشد تمامی میدان‌های آبی نشان داده شده در شکل 9 را جمع‌آوری کند. تراوایی باعث می‌شود که سریع مغناطیسی شده و سریع جهت مغناطش در آن تغییر کند. وجود این لایه موجب می‌شود بتوان از یک تک قطب به شکل عمودی برای مغناطش استفاده کرد. وجود تک قطب موجب می‌شود میدان قوی‌تر و متمرکزتری ایجاد شود. این لایه، گرچه جزئی از ساختار محیط ذخیره‌سازی اطلاعات است ولی از لحاظ عملکرد جزئی از ساختار هد است و درواقع یک تصویر آینه‌ای از هد می‌سازد. شکل 10 این مطلب را نشان می‌دهد.

شکل 10- تصویر محیط ضبط برای حالت افقی و حالت عمودی که در آن لایه SUL مثل یک آینده از هد می‌ماند.

استفاده از یک تک قطب، آن هم به صورت عمودی، امکان داشتن میدان مغناطیسی قوی را در یک ناحیه کوچک فراهم می‌کند، بنابراین در مقایسه با روش افقی، این قابلیت به وجود می‌آید که هم بتوان اندازه سطحی دانه‌ ها را کاهش داد (به دلیل میدان متمرکزتر) و هم ثابت ناهمسانگردی را افزایش داد.

یکی از خصوصیات استفاده از لایه SUL افزایش قدرت میدان ناشی از دومین‌های (و همین طور دانه‌ها) مغناطیس حتی در صورت نبود میدان اعمالی خارجی است. به دلیل اینکه لایه SUL، یک ماده مغناطیسی نرم با تراوایی بالاست، به راحتی از لایه مغناطیسی نیمه‌سخت ذخیره‌سازی اطلاعات تأثیر می‌پذیرد. این افزایش قدرت، همانند آنچه در قسمت c در شکل 11 نمایش داده شده است، توانایی در خواندن را نیز بهبود می‌دهد.

شکل 11- مقایسه ناحیه گذار در روش عمودی و افقی میدان مغناطش‌زدای گذار.

با وجود همه مزایایی که برای روش ذخیره‌سازی عمودی در مقایسه با روش افقی وجود دارد، روش ذخیره‌سازی عمودی تنها مشکلات سه گانه تریلما را به تأخیر می‌اندازد و با این اتفاق، امکان داشتن ظرفیت‌های بالاتر فراهم می‌شود. اما این روش قادر بر غلبه بر حل کامل مشکلات نیست؛ از این‌رو راهکارهای دیگری همچون استفاده از محیط‌های الگودهی شده و استفاده از حرارت‌دهی مطرح شده‌اند که در مقاله آتی به آن‌ها پرداخته خواهد شد.

8. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله روش‌های ذخیره‌سازی افقی و عمودی اطلاعات معرفی شد. چالش‌های موجود در روش ذخیره‌سازی افقی اطلاعات مشخص شد. عملکرد و برتری‌های روش ضبط عمودی اطلاعات شرح داده شد. مشخص شد روش ضبط عمودی مشکلات میدان مغناطیس‌زدا را ندارد و مشکلات سه گانه تریلما را به تأخیر می‌اندازد.