Νέα Υλικά, Νέες Τεχνολογίες...

Νέα Υλικά, Νέες Υποσχέσεις...?

Το παρόν άρθρο αφορά μια εργασία που κάναμε εγώ και ο συμφοιτητής μου Bermond για ένα εργαστήριο στη σχολή και μας κέντρισε αρκετά το ενδιαφέρον. Ας τα πάρω από την αρχή τα πράγματα εντελώς περιληπτικά και γενικά με σκοπό να κατανοηθεί από όσους το διαβάσουν.
Η όλη φιλοσοφία των ηλεκτρονικών υπολογιστών στηρίζεται στην ύπαρξη δυο διακριτών καταστάσεων της μηδεν “0” και της ένα “1” τις οποίες μπορούν και ξεχωρίζουν τα ηλεκτρονικά συστήματα. Κάθε μηδεν ή ένα στοιχείο αποτελεί ένα κομμάτι πληροφορίας, και μάλιστα δυαδικής πληροφορίας καθώς κάνουμε χρήση του δυαδικού συστήματος των μαθηματικών και ονομάζεται bit. 8 bit αντιστοιχούν σε 1 byte.
Τα σημερινά μαγνητικά μέσα αποθήκευσης στηρίζουν τη λειτουργία τους στη μαγνήτιση όπως προδίδει και το όνομά τους. Αποτελούνται απο μικροσκοπικούς κόκκους μαγνητικού υλικού με την ικανότητα να βρίσκονται σε δυο καταστάσεις. Ας πουμε με τον βόρειο πόλο προς τα πάνω και με το νότιο πόλο προς τα πάνω. Η εικόνα φαίνεται πιο κατανοητή σίγουρα.  



Ας ονοματίσουμε τον προσανατολισμό του μαγνήτη με το νότιο πόλο ως “down” και τον αντίθετό του ως “up”. Έτσι λοιπόν, αυτοί οι κόκκοι έχουν από τη φύση τους ενσωματωμένες αν θέλετε, δυο διακριτές καταστάσεις, τις upκαι down και τίποτα δεν μας εμποδίζει από το να τις χρησιμοποιήσουμε για την αποθήκευση bits και κατά συνέπεια bytes, Kbytes, Mbytes, Gbytes, και στη σημερινή εποχή μέχρι και Tbytes. Ας αντιστοιχίσουμε την κατάσταση down στο ψηφίο 0 και την κατάσταση up στο ψηφίο 1.Χρησιμοποιώντας ένα λεπτό στρώμα μαγνητικού υλικού αποτελούμενου απο μικροσκοπικούς μαγνητικούς κόκκους επάνω σε έναν δίσκο και μια λεπτή μαγνητική βελόνα μπορούμε να ελέγξουμε τον προσανατολισμο των κόκκων και κατά συνέπεια τις καταστάσεις down και up και voila! Έχουμε στα χέρια μας κομμάτια δυαδικής πληροφορίας αποτελούμενα απο 0 και 1 bits. .
 Είναι χρήσιμο να σημειωθεί ότι το παραπάνω αποτελεί απλά ένα παράδειγμα για καλύτερη κατανόηση και σε καμία περίπτωση δεν αντιπροσωπεύει την ακριβή λειτουργία των μαγνητικών δίσκων.
Με σκοπό να μεγαλώσουμε τον όγκο των πληροφοριών των δίσκων αλλά να μην καταλήξουμε να χρησιμοποιούμε σκληρούς δίσκους σε μέγεθος πλοίων, αναγκαστήκαμε να μικρύνουμε τους κόκκους. Τα προβλήματα ξεκινάνε κάπου εδώ. Όσο μικραίνουμε τους κόκκους, τόσο περισσότερο δυσχεράινουμε τη δουλειά της βελόνας. Αν το θέσω με διαφορετικούς όρους, οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεταξύ κόκκων και βελόνας είναι μεγάλης απόστασης αναλογικά με το μέγεθος των κόκκων. Η ακριβής αλληλεπίδραση δυσκολεύει αρκετά και όσο κατεβαίνουμε σε μέγεθος οδηγούμαστε σε φαινόμενα μεταφοράς φορτίων με συνέπεια την υπερθέμανση του υλικού και την ανεπανόρθωτη βλάβη. Για τους πιο επιστήμονες αρκέι το “Σιγά σιγά θα μεταβούμε στο υπερπαραμαγνητικό όριο των υλικών”.  
Ένα δέυτερο πρόβλημα που παρουσιάζεται είναι η ανικανότητά μας να παράγουμε κόκκους ενιαίου μεγέθους και όμοιων ιδιοτήτων σε τόσο μικρά μεγέθη.
Αυτό είναι και το όριο των σημερινών συσκευών αποθήκευσης.
Μια νέα ιδέα έρχεται από το πεδίο της ανόργανης χημείας και της επιστήμης των υλικών. Να χρησιμοποιήσουμε αντί των κόκκων τα γνωστά σε όλους και μικροσκοπικά μόρια. Είναι προφανές ότι ένα μόριο έχει πάντα ενιαίο μέγεθος, σχήμα και φυσικά καθολικές ιδιότητες. Και πως θα μπορέσουμε να εισάγουμε τη δυαδική πληροφορία σε ένα μικροσκοπικό μόριο; Η ιδέα είναι να καταφέρουμε να κατασκευάσουμε μόρια τα οποία θα έχουν μαγνητικές ιδιότητες. Κάτι τέτοιο θα επέτρεπε την εισαγώγή των bits στο νέο υλικό και κατά συνέπεια τη χρήση του σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές και όχι μόνο.
Εδώ πρέπει να εξηγηθεί η συμπεριφορά των μορίων ως μαγνητών καθότι τα μόρια δεν εμφανίζουν βόρειο και νότιο πόλο όπως τα κοινά σιδηρομαγνητικά υλικά αλλά δημιουργούν τις δυο διακριτές καταστάσεις εκμεταλλευόμενα τις καταστάσεις των spin των ατόμων τους. Δε θα αναπτύξω το συγκεκριμένο θέμα καθώς χρήζει ιδιαίτερης δυσκολίας για κάποιον που δεν ασχολείται αλλά θα χαρώ να στείλω διευκρινήσεις σε όποιον ενδιαφερθει  . Αν ορίσουμε λοιπόν δυο καταστάσεις ως down και up και αυτές είναι ακριβώς αντίθετες μεταξύ τους, επανερχόμαστε στην αντιστοίχισή τους σε 0 και 1, όπως και με τα μαγνητικά υλικά μόνο που αυτή τη φορά λειτουργούμε σε νανοκλιμακα καθώς έχουμε μετατρέψει ένα και μόνο μόριο σε έναν κατά πολύ μικρότερο αλλά ανάλογης λειτουργίας μαγνητικό κόκκο! Φανταστείτε τώρα πόσο πιο πυκνή μπορεί να γίνει η αποθήκευση των δεδομένων όταν μεταπηδάμε από την τάξη μεγέθους των μικρομέτρων στην κλίμακα των νανομέτρων.
Αυτή τη στιγμή οι –όπως αποκαλούνται- μονομοριακοί μαγνήτες λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες 3 K (-270ο C) δηλαδή μόλις τρεις βαθμούς μακριά από το απόλυτο μηδέν και η στιγμή που θα γίνουν έτοιμοι προς χρήση για τους προσωπικούς μας υπολογιστές απέχει έτη φωτός. Βιβλιογραφικά δεδομένα αναφέρουν ότι το ποσο αποθήκευσης ανά τετραγωνικό εκατοστό υλικού αυτή τη στιγμή βρίσκεται στα 4Gbits ενώ με τη χρήση μονομοριακών μαγνητών θα φτάσει στα 6.5Tbits. (δηλαδή απο 512 MB στα 832 GB)