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COME FUNZIONA UN HARD DISK A MAGNETORESISTENZA GIGANTE.

UNA TECNOLOGIA COMUNE, MA PER NIENTE BANALE.

In quest’articolo ti spiegherò come sono fatti i bit negli hard disk magnetici e come è possibile salvare le informazioni. Per intenderci, come il disco rigido del tuo computer riesce a salvare film, canzoni o dati lavorativi facilitandoti la vita.

I potenti dispositivi elettronici di cui oggi ci circondiamo, come computer, tablet e smartphone, sono in grado di farci lavorare, vedere un film o parlare con i nostri cari, in modo facile e veloce, persino quando essi si trovano al capo opposto del globo. Tutto questo, grazie a codici basati su due soli valori elementari 0 e 1.

Ognuna di queste informazioni viene codificata in una lunga sequenza di “bit”, (parola macedonia dall’inglese binary digit): semplici elementi di informazione che possono assumere solamente i due valori sopra indicati.

I bit sono piccolissimi: un hard disk da un Terabyte di capacità ne contiene circa ottomila miliardi.

La scoperta della magnetoresistenza gigante, effetto fisico su cui si è basata la tecnologia degli hard disk per alcuni anni, è valsa ad Albert Fert e Peter Grünberg il premio Nobel per la fisica nel 2007.

I COMPONENTI PRINCIPALI DI UN HARD DISK: PIATTO E TESTINA.

Nella figura, qui a fianco, puoi vedere l’interno di un hard disk magnetico. I componenti principali sono un piatto rotante, un braccio su cui è montata la testina di lettura e scrittura e un cavo per il trasferimento dei dati.

Il piatto rotante è il cuore dell’hard disk, in sostanza, l’elemento che immagazzina le informazioni. È costituito da un substrato di materiale non magnetico, ad esempio una lega di alluminio, che viene ricoperto da un sottilissimo strato magnetico, ad esempio NiFe (una lega metallica di ferro e nichel), spesso costituita da poche centinaia di atomi. La superficie del piatto rotante viene suddivisa in tante piccolissime zone, ognuna delle quali costituisce un bit.

Quando l’hard disk viene “formattato”, si inseriscono dei marcatori per definire la posizione di ciascun bit.

La testina contiene un dispositivo di lettura sensibile al campo magnetico generato da ogni bit e un elemento in grado di scrivere informazioni nel materiale magnetico del piatto. Quando l’hard disk è in funzione, la testina si avvicina a una distanza paragonabile ad una frazione di micron (un  millesimo di millimetro) rispetto al piatto ed è in grado di muoversi grazie ad un attuatore meccanico per sondare la zona in cui sono salvati i dati.

Spiegare in modo semplice il funzionamento di questo genere di tecnologia non è proprio quel che chiamerei una passeggiata e la stesura di questo di questo post ha richiesto parecchio lavoro.

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La guida al funzionamento di un hard disk non è finita qui. Vuoi sapere come funzionano i suoi elementi di lettura e scrittura? Continua a leggere.

IL PROCESSO DI SCRITTURA.

È possibile immaginare lo strato magnetico dell’hard disk come un insieme di piccolissime calamite – chiamate anche domini magnetici – ognuna delle quali costituisce un bit: se il polo nord della calamita è orientato verso l’alto, allora il bit codificherà per un 1, se invece è orientato verso il basso codificherà per uno 0.

Le “calamite” non sono visibili a occhio nudo, né separate, ma è il materiale stesso che tende spontaneamente a essere suddiviso in tanti domini magnetici. La direzione verso cui punta il nord del dominio magnetico è detta direzione di magnetizzazione del dominio.

La parte della testina dedicata alla scrittura è in grado di invertire la polarità del dominio magnetico, per meglio dire, può scambiare il polo nord con il polo sud, trasformando un bit 1 in un bit 0 e viceversa. Per cambiare la polarità sfrutta il campo magnetico generato da un cavo avvolto attorno a un nucleo ferromagnetico appuntito. Nella figura, qui a fianco, viene schematizzato il processo di scrittura.

La corrente che scorre nel cavo genera un campo magnetico che è diretto verso il basso o l’alto a seconda del segno della corrente (positivo o negativo) ed è quindi in grado di posizionare i poli nord e sud della “calamita”, immediatamente sottostante, lungo la direzione voluta. Questo è ciò che s’intende quando si parla di scrivere un bit.

IL PROCESSO DI LETTURA.

La parte di testina dell’hard disk dedicata alla lettura, invece, è formata da una “valvola di spin” (in inglese spin valve) composta da tre strati metallici: una bussola (strato magnetico libero), un distanziatore (strato non magnetico) e un riferimento (strato magnetico bloccato).

Quando la testina si avvicina ad un bit, che deve essere letto, la “bussola” si allinea alla direzione del campo magnetico prodotto dalla “calamita” che costituisce quel bit, esattamente come sulla terra le bussole puntano verso il nord. Ruota verso l’alto se il polo nord della calamita punta verso l’alto e viceversa se punta verso il basso. La direzione della calamita di riferimento, invece, non ruota mai ed è sempre, ad esempio, orientata con il nord verso l’alto.

Applicando una tensione alla testina e misurando la corrente che scorre, possiamo capire il valore del bit. Vedi la figura qui a fianco.

Se la bussola è diretta come il riferimento (valvola di spin aperta) la resistenza è più bassa, misuriamo una corrente maggiore e il bit viene letto come un 1, se la bussola è diretta in senso opposto al riferimento (valvola di spin chiusa) la resistenza è più alta, si misura una corrente minore ed il bit viene letto come uno 0.

Il cambio della resistenza è dovuto ad un effetto fisico che si chiama MagnetoResistenza Gigante (GMR).

LA MAGNETORESISTENZA GIGANTE: IL PREMIO NOBEL PER LA FISICA A FERT E GRÜNBERG NEL 2007.

Ok, sto spiegarti un processo fisico abbastanza complesso e per forza di cose dovrò utilizzare un po’ di termini tecnici. Se al termine della spiegazione non avrai compreso qualcosa, sentiti libero di chiedere un ulteriore chiarimento nei commenti.

Sei pronto? Cominciamo.

La magnetoresistenza gigante è un effetto spiegato dalla fisica quantistica. Gli elettroni, che devono attraversare la testina di lettura, incontrano più o meno difficoltà a farlo, a seconda del fatto che lo strato magnetico libero (bussola) sia diretto come lo strato magnetico bloccato (riferimento) o in maniera opposta.

Perché accade questo?

Perché sia il materiale, sia ogni singolo elettrone possiedono una proprietà che li rende simili ad una piccolissima bussola: lo spin. Il momento magnetico dell’elettrone, in un materiale ferromagnetico, è tipicamente allineato alla direzione di magnetizzazione del dominio magnetico in cui si trova. Possiamo pensare che nello strato magnetico libero (bussola) gli elettroni abbiano spin diretto verso l’alto o verso il basso a seconda dello stato del bit, mentre nello strato magnetico bloccato (riferimento) gli elettroni hanno spin sempre diretto verso il basso. Quando gli elettroni con spin diretto verso l’alto si muovono in un materiale con magnetizzazione verso il basso, incontrano molte più difficoltà (riduzione della densità degli stati) e la corrente che può scorrere nella valvola è minore.

Questo effetto fu scoperto indipendentemente da Albert Fert (Baibich et al., 1988) e Peter Grünberg (Binasch et al., 1989) alla fine degli anni ’80 e ha trovato applicazione nelle testine degli hard disk negli anni ’90 e 2000.

CONCLUSIONI.

Nonostante la magnetoresistenza gigante sia una tecnologia superata dalla magnetoresistenza a effetto tunnel, è stata per molti anni la tecnologia di riferimento per gli hard disk magnetici.

Costituisce un esempio della sinergia che può crearsi tra scienza e tecnologia, e del ruolo che questa può giocare nell’evoluzione della società e degli strumenti che essa ha a disposizione.

BIBLIOGRAFIA

A cura di Lorenzo Baldrati. Revisionato da Edoardo Vanetti.


About the Author : Lorenzo Baldrati

Fisico della materia. Riflessivo e intraprendente. Appassionato di tecnologia. Curioso del mondo.

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