EDUARDO CESAREl disco duro: la rugosidad entre las capas metálicas determina su capacidad para almacenar informacionesEDUARDO CESAR
Las computadoras concretan una de sus destrezas básicas -el almacenamiento de informaciones- sin que se logre entender exactamente cómo se da tal proceso. Pero ha habido avances. Un grupo de investigadores de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE) explicó un fenómeno esencial para el funcionamiento de las nuevas cabezas de lectura de los discos rígidos o discos duros (hard disks) que, aunque haya sido descubierto hace 40 años y utilizado hace tres, sobrevivía con escasos fundamentos teóricos.
El equipo coordinado por Sergio Rezende, del Departamento de Física de la UFPE, comprobó que la rugosidad tiene una importancia crucial en la interacción entre las capas metálicas de la cabeza de lectura del disco -esa interacción determina directamente el desempeño de las computadoras. Este descubrimiento permite comprender mejor el fenómeno que hace posible el compactado de la información en un momento en el que, en todo el mundo, se está en busca de memorias de mayor capacidad, más rápidas y de menor consumo de energía.
Como un trompo
La punta de las cabezas de lectura del disco duro utilizadas actualmente, técnicamente llamadas magnetorresistivas, es un conjunto de capas metálicas de pocos átomos. Como en un sándwich, son intercaladas una primera, hecha de material ferromagnético (normalmente, una aleación de hierro y níquel o cobalto), que se superpone a una segunda, de material antiferromagnético (generalmente, óxido de níquel), y así sucesivamente. En la superficie y en el interior de cada capa, los electrones actúan como trompos: giran en un sentido, como las agujas de un reloj, o en sentido opuesto.
De ese movimiento de rotación del electrón, que los físicos llaman spin, nace el campo magnético -o magnetización- que permite el almacenamiento de informaciones de la memoria permanente de la computadora, grabada en cada punto de los surcos de los discos rígidos, que también están constituidos por capas de materiales magnéticos. En cada punto, la magnetización en un sentido representa el bit 0, y en el otro el bit 1 -ése es el código binario, a partir del cual se construyen todo los textos, gráficos o imágenes. En tanto, las informaciones de la memoria rápida, llamada RAM (random acces memory o memoria de acceso randómico), son almacenadas en semiconductores bajo la forma de carga eléctrica positiva o negativa, que representa el 0 ó el 1.
Expansión de límites
Para entender mejor la investigación de este grupo de Pernambuco, resulta inevitable echar mano a un poco de historia y a algunas otras explicaciones. Hasta los años 90, la lectura del disco rígido se hacía mediante un proceso físico llamado inducción magnética: la magnetización del bit producía una corriente eléctrica en la cabeza de lectura, luego procesada por otros dispositivos de la computadora. Era un recurso limitado, porque el área de almacenamiento debía ser grande para ser interpretada por la cabeza de lectura.
En los años 90 se produjo un salto, con las nuevas cabezas de lectura, denominadas magnetorresistivas, y con éstas se hizo posible disminuir el área y, de esta manera, aumentar la capacidad de almacenaje de informaciones de los discos duros. A propósito, de este viraje tecnológico participó otro brasileño: Mário Baibich, profesor del Instituto de Física de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS). En 1989, cuando estaba en Francia, Baibich descubrió la magnetorresistencia gigante, el fenómeno que dio origen a las actuales cabezas de lectura de los discos rígidos y que asocia la resistencia del material al campo magnético creado por el bit de información del disco rígido.
Al comprobar la importancia de la rugosidad, Rezende llegó, en cierto forma, a los resultados perseguidos por los investigadores teóricos de IBM, la empresa que desarrolló el primer disco rígido en 1956 y no cejó en la búsqueda de la manera de ampliar la memoria de esos dispositivos. En todo este tiempo, el conocimiento acumulado sobre las propiedades de las capas ferromagnéticas y antiferromagnéticas permitió que la capacidad de almacenamiento aumentase 3 millones de veces: de los iniciales 2 kbits por pulgada cuadrada en el primero disco a 20 gigabits por pulgada cuadrada en la versión más reciente, de 1999.
Pero aun así, solamente había hipótesis acerca de cómo funcionaba la interacción entre las capas, un fenómeno conocido como exchange bias o polarización por intercambio, que permanecía carente de sustentación teórica y experimental.”Los cálculos teóricos de Alex Malozemoff, de IBM, mostraron en 1987 que la rugosidad podría ser la responsable por la enorme reducción del campo magnético de exchange bias, originado por la interacción de los electrones superficiales entre las capas ferromagnéticas y antiferromagnéticas”, comenta Rezende. “Nuestras experiencias y el modelo teórico que desarrollamos comprueban que es ése precisamente el caso”.
El grupo de Pernambuco presentó las medidas experimentales en noviembre del año pasado en durante la Conferencia Anual de Magnetismo realizada en Seattle, Estados Unidos, y publicó los estudios teóricos en dos artículos recientes, uno en marzo de este año en Physical Review B y otro en abril, en el Journal of Applied Physics.
Aunque no se creyese que fuera tan importante, la rugosidad entre las capas ya era conocida. Es una propiedad todavía inevitable de las capas magnéticas que forma la memoria permanente de las computadoras, ya que actualmente es imposible producir una superficie absolutamente plana. Lo que a una simple mirada parece perfectamente liso, asume a escala atómica contornos que recuerdan a los altibajos de una cadena de montañas. Dos capas son como cadenas montañosas encajándose perfectamente entre sí, ya que el proceso de fabricación elimina cualquier espacio vacío entre éstas.
Los estudios del equipo de Rezende detallan exactamente el modo por el cual la rugosidad -la variación del relieve- interfiere en la interacción entre las capas. A causa de esos altibajos, los electrones de la capa ferromagnética interactúan ora con electrones conspin en un sentido (situados, por así decirlo, en un pico de la cadena montañosa), ora con electrones con spin en otro sentido (en el valle) de la capa opuesta. El problema es que la rugosidad causa fenómenos indeseables, que los físicos denominan comportamientos complejos, originados por desórdenes físicos, conocidos como frustraciones, agravados por las variaciones de temperatura. “Esos fenómenos eran observados desde hace años y se especulaba sobre sus causas, pero no existía una comprobación fehaciente como ahora”, comenta Rezende.
Sin pérdidas
La rugosidad interfiere también, en un plano macroscópico, en la reducción de la interación magnética entre las capas y, en última instancia, en el desempeño de la cabeza de lectura. Su efecto no es nada desdeñable: el campo efectivo que el film antiferromagnético crea sobre la magnetización del film ferromagnético es entre 100 y 1000 veces menor que el campo previsto para una interfaz perfectamente plana. “El desafío es ahora eliminar la rugosidad”, dice Rezende. “Si usando un método aún no conocido, alguien logra hacer una doble capa ferromagnética y antiferromagnética con interfaz perfectamente plana, el campo que prende la magnetización de la capa ferromagnética será mucho mayor”. En consecuencia, la computadora va a funcionar mejor.
La comprensión de la interacción entre las capas podrá ganar aplicaciones aún más refinadas. El exchange bias, junto con otro fenómeno, el llamado tunelamiento magnético, es uno de los conceptos esenciales en la construcción de una memoria RAM magnética y duradera, no más volátil como la usada actualmente en los semiconductores. IBM anunció hace dos años el prototipo de esa nueva memoria, con la cual se pretende arribar a algo simple: una computadora que al ser desconectada abruptamente no pierda las informaciones en pantalla y, al ser conectada nuevamente, retome el trabajo en el mismo punto en el que estaba.
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