Даёшь киношку: материализация магнитных вихрей-скирмионов может пригодиться при переходе на видеоформат 4К

Когда-то, в СССР, партия заботилась о просвещении масс. И если в пионерлагерь привозили кинопередвижку с «Лимонадным Джо» или «Гением дзюдо», то её обычно сопровождал лектор Всесоюзного общества «Знание». Предварявший увлекательное для детских умов зрелище рассказом о достижениях советской науки и техники. Ну, «про любимый лунный трактор» слушали охотно, а вот самый добротный рассказ о чём-нибудь более абстрактном, вроде методов физики твёрдого тела, вызывал нетерпеливое шипение с шуршанием, иногда выплёскивающееся в воплях «Кончай балаган, давай киношку!», обеспечивающих виновному длительное выслушивание воспитательных бесед…

Когда кино демонстрировалось с помощью простейших оптико-механических устройств, физика твёрдого тела казалась весьма далёкой от жизни…

Рассказ про то, как французский физик Пьер-Эрнест Вейсс, пытаясь разрешить противоречие – существование явления спонтанной намагниченности железа с равенством нулю результирующего магнитного момента образца в отсутствие внешнего магнитного поля H – создал в 1907 году доменную теорию ферромагнетизма, никак не соотносился у детей с предстоящим зрелищем.

Творцы «новой» физики начала XX века – Эйнштейн, Эренфест, Ланжевен, Оннес и Вейсс

Но это было давно – в эру кино на триацетатной плёнке и ламповых катушечных магнитофонов. С той поры прошли эпохи фильмов на видеомагнитофонах и DVD. Не думаю, что сильно ошибусь, предположив, что большинство видеопродукции в форматах HD и FullHD хранится ныне у читателей именно на жёстких магнитных дисках. Использующих для записи информации те самые ферромагнитные домены, «макроскопические области ферромагнетика с различными ориентациями спонтанной однородной намагниченности в одном из возможных направлений, соответствующих минимуму энергии магнитной анизотропии одного или нескольких типов».

Из различных типов магнитной анизотропии, упоминаемых в статье из «Прохоровской» Физической энциклопедии 1998 года, в вычислительной технике применяется наведённая магнитная анизотропия, с помощью которой и записаны нолики и единички, составляющие, при должном структурировании, и читаемые вами строки, и картинки на плазменных и светодиодных панелях.

Достигнутая несколько лет назад плотность записи информации в 600 гигабит на квадратный дюйм позволила разместить на «трёхдюймовой» пластине 750 гигабайт полезной ёмкости, что соответствовало появлению накопителей с ёмкостью 1,5 и 3 терабайта. Именно в этих пределах и лежат объемы большинства устройств, хранящихся в нижних, закрытых секциях, книжного шкафа, где когда-то лежали бумажные журналы, а потом DVD-диски… Сейчас доступны и устройства повместительнее, но ненамного. (Ну и двухтерабайтники «съедобны» для подавляющего большинства устройств, включая самые старые медиа-плейеры и док-станции.)

А вот дальнейший рост устройств на доменной памяти – затруднён. Слишком малы уже используемые магнитные домены. Их дальнейшая минимизация чревата утратой стойкости. Причём утратой не только флуктуационной, случайной, но и вполне закономерной. Вызываемой явлением так называемого суперпарамагнетизма – стремлению магнитного поля макроскопического, но очень маленького домена, принять то же направление, что и у соседних участков. (Ну, как человек очень часто жертвует своим мнением в угоду взглядам и настроениям окружающей массы, что и позволило Лебону создать «Психологию толпы», то есть выполнить агрегатирование, сведение поведения множества людей к единому и простому стереотипу, опережая на более чем полвека методы кибернетической теории Больших систем…)

Но давайте обратим внимание. В тексте выше мы дважды повторили слово «макроскопический» в применении к домену. Именно так его определила Физическая энциклопедия. Он хоть и маленький, но объект макромира. Подчинённого тем самым законам, что и реальность, в которой мы живём. И вряд ли могло бы быть по-другому – концепция domaine, унаследовавшая имя от королевского удела в Средневековой Франции, была сформулированна тогда, когда квантовой механики ещё только предстояло родиться. Но, тем не менее и ныне играет поразительно важную роль в технике, а через неё и в экономике. Прав был Кирхгоф (тот, что Законы…) – «Нет ничего практичнее хорошей теории».

А теперь появляются шансы, что следующий этап развития техники хранения информации на магнитных устройствах окажется связан не просто с достижениями теории, но с реализацией абсолютно головоломной абстракции. Изначально представлявшей собой «теоретическую модель для описания в рамках эффективной нелинейной теории мезонных полей стабильных протяжённых частиц (барионов).» Во всяком случае Физическая энциклопедия «Скирма модель» толкует именно так. Речь в 1961 году, когда британский физик Тони Хилтон Ройл Скирм ( Skyrme, 1922–1987), предложил эту концепцию, шла о некотором объединении методов теории поля и теории элементарных частиц.

Интересующихся подробностями отошлём к сс. 543-544 четвертого тома Физической энциклопедии. Но спустя десятилетия после кончины Скирма выяснилось, что созданная им теория и получивший его имя абстрактный объект весьма полезны. Nature писал, что «Скирмион есть стабильная топологическая структура, со свойствами, подобными свойствам элементарной частицы; математическая концепция, изначально созданная для описания ядерных частиц, но в последнее десятилетие нашедшая применения в диапазоне от микроскопического до космологического». То есть волшебство математики столь велико, что одна и та же абстракция превосходно работает и в крошечном мире квантовой механики, и на тех запредельных галактических дистанциях, где выныривают загадочные темная материя с темной энергией… Но работает – в моделях. Теориях.

А вот неделю назад тот же Nature опубликовал исключительно интересный материал. Twisted magnetic fields tie information in a knot (с подзаголовком – Неуловимые скирмионы созданы в лаборатории). Речь идёт о событии почти волшебном. Группе учёных из Гамбургского университета удалось создать магнитные плетённые вихри (Twisted vortices) из очень небольшого количества атомов, описываемые именно моделью скирмионов (skyrmions). Причём эти объекты, приобретающие частицеподобные свойства, оказываются вполне стабильны, хотя и состоят из всего лишь 300 атомов. Маленькое оказывается более прочно, чем большое! Один из учёных, Кристен фон Бергманн (Kristen von Bergmann), предположил, что технология хранения данных на скирмионах позволит уплотнить магнитную память в два десятка раз.

Для управления плетёнными вихрями-скирмионами нужен туннельный микроскоп

Ну, правда до практического воплощения эксперимента в технологии довольно далеко. Крошки-скирмионы стабильны, и не норовят – проявив склонность к суперпарамагнетизму – подстроиться под соседей. Но – пока при весьма ограниченном диапазон температур. Не выше 4,2 градусов Кельвина. И нужен для управления скирмионами туннельный микроскоп. И создаются они потоком электронов заданного спина – то есть речь идёт уже не об электронике, а о спинтронике… Да и надёжность переключения скирмиона в заданное состояние – всего лишь 60%… И используемый материал – тончайшая плёнка из железа и очень недешёвых иридия и палладия. Но, повторим, речь пока что идёт о научном эксперименте. И очень важном – материализацией методами физики экспериментальной одной из абстракций физики теоретической.

Ну а теперь представим себе, что технология скирмионов или какая-либо иная, вроде термомагнитной, даст результат. Емкость жёстких дисков повысится в двадцать раз. И где же они найдут себе применение?

Ну, конечно, такие устройства пригодятся тем, кто обрабатывает большие данные – как мы писали универмаг Walmart ещё три года назад оперировал базой данных более 2,5 петабайт. И у астрономов с биологами и метеорологами информации может накопиться очень много. Но дело обстоит так, что крупных торговых сетей – немного. И крупных обсерваторий – куда меньше. И провайдерам облачных вычислений не так уж важно, сколько информации на одном «блине», всё равно строить Data-центры.

Но кто же самый богатый игрок корпоративного рынка (и рынка ИТ)? Конечно Apple. Бизнес, ориентированный на потребителя. Поставщик развлечений. И именно для развлечений найдут применение диски многократной ёмкости. На них можно будет записывать никак не меньше фильмов в стандарте 4К, даже и стереоскопических, чем на современные НЖМД нынешних HD и FullHD. А это – обеспечит массовый спрос. Физика – уже не только твёрдого тела, но и квантовая – плавно перейдёт в киношку!