Учёные Манчестерского университета разработали метод хранения данных, который позволяет добиться информационной плотности примерно в 100 раз выше, чем с помощью существующих технологий. То есть примерно 25 терабайт информации можно хранить в устройстве объёмом примерно с пятирублёвую монету.

Метод предусматривает хранение данных в одномолекульных магнитах с атомами диспрозия, которые в ходе эксперимента проявили магнитный гистерезис — эффект памяти, как у феромагнетиков в постоянных магнитах и на поверхности жёстких дисков.

Синтез и молекулярная структура комплекса молекул [Dy(Cpttt)2][B(C6F5)4] с диспрозием (Dy)

Гистерезис в молекулах с атомами диспрозия проявляется при самой высокой температуре, какой только удалось достичь к настоящему моменту — при 60 К, то есть −213 °C. Это концептуальный эксперимент, который призван продемонстрировать жизнеспособность метода. Учёные предполагают, что создание коммерческих систем с использованием этой технологии станет возможно в ближайшем будущем при условии «рассудительного молекулярного дизайна».

Потенциал молекулярного хранения данных огромен. Такая технология позволяет добиться информационной плотности 200 терабит на квадратный дюйм, что и близко не демонстрируют никакие из существующих технологий.

«Это очень интересно, поскольку магнитный гистерезис в отдельных молекулах подразумевает возможность хранения бинарных данных, — говорит д-р Николас Чилтон (Nicholas Chilton) из Школы химии при Манчестерском университете. — Использование отдельных молекул для хранения данных теоретически может повысить плотность данных в 100 раз по сравнению с существующими технологиями. Здесь мы приближаемся к температуре жидкого азота. Это значит, что хранение данных в отдельных молекулах становится намного более жизнеспособным с экономической точки зрения».

Эффект магнитной памяти — необходимое требование для любой системы хранения данных на магнитном носителе. Хотя температура −213 °C кажется слишком низкой для практического использования технологии, но на самом деле это вполне рабочая температура. Уже сейчас в системах охлаждения дата-центров используется жидкий гелий с температурой −269 °C. А относительно высокая рабочая температура новой системы, если её ещё чуть повысить, позволит применять более дешёвый жидкий азот (−196 °C). Собственно, такую цель и ставят перед собой авторы научной работы. Они намерены повысить рабочую температуру системы, в идеале — выше температуры жидкого азота.

С момента открытия одномолекулярных магнитов прошло почти 25 лет, но за это время физики смогли увеличить температуру гистерезиса с 4 К всего лишь до 14 К при скорости развёртки магнитного поля около 20 эрстед в секунду. Более высокие температуры наблюдались только при более высоких скоростях развёртки магнитного поля (например, 30 К при 200 Э/с). Так что нынешнее открытие гистерезиса на 60 К всего лишь при 22 Э/с — это очень значительное достижение, настоящий прорыв в одномолекулярных магнитах.

В своей работе исследователи использовали лантаноид под названием диспрозий, а конкретно — комплекс молекул [Dy(Cp^ttt)₂][B(C₆F₅)₄], где Cp^ttt = {C₅H₂^tBu₃-1,2,4}, а ^tBu = C(CH₃)₃

Магнитный гистерезис (слева) и релаксационная динамика (справа)

Лантаноиды — металлы с атомными номерами от 57 до 71, то есть от лантана до лютеция. Эти редкоземельные металлы сегодня широко используются в промышленности, в производстве различных электронных устройств, таких как смартфоны, планшеты и ноутбуки.

Диспрозий — химический элемент с номером 66. Он не встречается в природе в чистом виде, но входит в состав некоторых минералов, например, ксенотима. Добывается вместе с другими лантаноидами, одно из крупнейших мировых месторождений находится на Кольском полуострове в России. Диспрозий и сейчас используется в производстве сверхмощных магнитов, а также в ядерной энергетике, электронике, металлургии, медицинских лазерах, катализаторах, а также как мощный магнитострикционный материал, то есть меняющий свои линейные размеры при перемагниченности.

Материал продемонстрировал свойства гистерезиса таким образом, что учёные сделали два вывода: во-первых, эти свойства уникальны для диспрозия, а во-вторых, гистерезис должен наблюдаться и на более высоких температурах, в том числе выше температуры жидкого азота. Это станет предметом будущих исследований.

Увеличение информационной плотности накопителей в 100 раз означает, что устройства хранения данных станут компактнее и будут потреблять меньше электроэнергии. Наибольшую выгоду от этого получат владельцы дата-центров. Например, в 15 дата-центрах компании Google работает 2,5 миллиона серверов (по состоянию на 2016 год).

Дата-центры потребляют огромное количество электроэнергии. По отчётам экологов, их доля может составлять до 2% всего мирового энергопотребления. Может это и слегка завышенные цифры, но всё равно любая энергоэффективная технология для дата-центров принесёт пользу не только владельцам дата-центров, но и всей экологии планеты.

Научная статья опубликована 23 августа 2017 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature23447).