Hacia los discos duros del futuro gracias al pigmento rojo de los Ferrari Roadster

Dibujo20130705 magnetoresistnace wires for hard disks

La capacidad de almacenar datos de los discos duros ha crecido en un factor de 10.000 en los últimos 30 años gracias, entre otros avances, a la magnetorresistencia gigante (GMR), Premio Nobel Física 2007. Se publica en Science un nuevo avance, la GMR a temperatura ambiente en nanohilos moleculares de DXP (cada uno con un nanómetro de diámetro) incrustados en cristales de zeolita. El DXP es el pigmento utilizado por Ferrari para lograr el color rojo de la pintura de sus Roadster y no es una molécula magnética, pero se aprovecha el espín (momento magnético intrínseco) de sus electrones. Los electrones en la molécula no pueden moverse por ella (saltar de un átomo a otro, entre los átomos azules en la figura) cuando tienen el espín orientado en la misma dirección (lo prohíbe el principio de exclusión de Pauli) por lo que aparece una gran resistencia eléctrica. Sin embargo, al aplicar un campo magnético externo algunos espines cambian su dirección y los electrones pueden moverse por la molécula, bajando la resistencia. La conductividad cambia en un factor de 2000% (todo un récord comparado con el 600% de los materiales usados en los discos duros actuales) mostrando el fenómeno de GMR con una magnitud nunca vista antes (recuerda que la magnetorresistencia colosal es otra cosa). Más aún, este fenómeno se observa a temperatura ambiente. Por supuesto, todavía es muy pronto para ver discos duros basados en esta tecnología en el mercado. Como se almacenará la información en nanohilos es necesario usar la punta de un microscopio de fuerza atómica para leer y escribir, lo que complica mucho su incorporación a la tecnología actual de los discos duros. Pero tiempo al tiempo, la imaginación de los físicos y los ingenieros parece que no tiene límites. Este nuevo descubrimiento es como un Ferrari Roadster que nos lleva a toda velocidad hacia los discos duros del futuro. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Hypersensitive Wires Feel the (Electromagnetic) Force,” ScienceNOW, 4 Jul 2013, siendo el artículo técnico R. N. Mahato et al., “Ultrahigh Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires,” Science Express, Jul 4, 2013 [DOI].

Dibujo20130705 Magnetic field-dependence of spin blockade

Cuando el campo magnético aplicado B es muy superior a un campo crítico Bhf (asociado a la estructura hiperfina de los átomos), la interacción entre los espines de electrones en sitios vecinos hace que se alineen sus espines y los electrones no pueden saltar de un sitio a otro, quedando bloqueados (parte B de la figura) dando lugar a una resistencia eléctrica enorme. Cuando el campo magnético aplicado es inferior al campo crítico los espines de los electrones no están alineados y los electrones pueden saltar de un sitio a otro, conduciendo la electricidad a  través del nanohilo de DXP (parte A de la figura) con una resistencia eléctrica muy pequeña.

Dibujo20130705 Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires

Esta figura muestra la magnetorresistencia (MR) máxima, (R(Bmax)-R(0))/R(0), como función de la diferencia de potencial V y a temperatura ambiente. Las curvas corresponden a nanohilos de DXP de diferente longitud, entre 30 nm y 90 nm. Los valores de MR más altos se logran para nanohilos de 60 nm.

Dibujo20130705 magnetoresistnace wires for hard disks - paper version

Esta figura ilustra cómo se ha medido la conductividad de los nanohilos utilizando una punta conductora de un microscopio de fuerza atómica (CP-AFM). Las moléculas de DXP (N,N’-bis(2,6-dimetilfenil)-perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico diimida) son representadas como elipsoides rojos. Los nanohilos están alineados en zeolitas sobre un sustrato de ITO (óxido de indio-estaño) y PEDOT:PSS (un polímero llamado poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(estirenosulfonato). Los cristales de zeolita están fabricados de aluminio, silicio y oxígeno y en su interior se han introducido las moléculas de DXP con un método novedoso.

Por cierto, los autores del artículo han bautizado la nueva técnica como magnetorresistencia ultraalta, porque los términos magnetorresistencia gigante y magnetorresistencia colosal ya están usados. Habrá futuros avances en la magnetorresistencia a la nanoescala y cada día será más difícil ponerles nombre.

En resumen, todos los discos duros en nuestros ordenadores se basan en la magnetorresistencia. Si los discos duros del futuro también se basan en este  fenómeno, el nuevo avance publicado en Science promete acabar en todos nuestros hogares. Por ahora, a corto plazo, el nuevo descubrimiento tiene como aplicación estrella los sensores de campos magnéticos de gran sensibilidad y muy buena resolución espacial (que podrían servir para leer la información de discos duros dañados).

6 pensamientos en “Hacia los discos duros del futuro gracias al pigmento rojo de los Ferrari Roadster

  1. Esta gente está re-loca y uno ya no sabe si los datos almacenados a esa escala siquiera existen. Muy buen artículo

  2. Y yo que hubiera apostado por la memoria flash para el futuro de los discos, ya sean internos como externos. Creo haber leído que ya se consiguen los 256 GB. Pero por lo que veo es cierto eso de que la vida te da sorpresas. Muy interesante la noticia, gracias.

    • Yo soy de la misma opinión. Mi nanotecnología favorita para memorias no volátiles son los memristores. Pero lo cierto es que nadie puede predecir el futuro y seguro que habrá sorpresas.

    • La tecnologia flash tiene un problema que la hace poco practica para su uso en discos duros: la cantidad de veces que puedes reescribir un bit es limitada, no puedes escribir en el mismo “sitio” de la memoria todas las veces que quieras, tiene un desgastes por uso, cosa que no ocurre con el almacenamiento magnetico (creo que la capacidad de sobreescritura es ilimitada).

      En un pen drive no importa, por que el uso nunca va a ser tan exigente como el de un disco duro. Es más probable que el pen drive se te pierda o se dañe por otras causas antes de llegar al limite de sobrescrituras y empiece a fallar.

      Pero el disco duro no solamente guarda archivos (como en el pen drive) sino que debe servir como cache de memoria ram, la cual si exige gran movimiento de datos. En algun momento se propuso que los drivers de disco duro usaran todo el disco, buscando repartir ese uso de cache por todos los bits del disco, pero esa solucion solo corre la arruga del problema y no lo resuelve realmente

      • Tanto uno como otro tienen un límite en el número de escrituras. Aunque suelen ser absurdamente grandes. Las ultimas memorias flash no se si tenían el límite en 100 millones de ciclos…

        Por otra parte, en el disco duro no se hace caché de la ram. Significaría una pérdida de rendimiento brutal, la velocidad de lectura/escritura en la ram es muuy superior a la del disco duro. La caché de la ram se suele hacer en el propio micro.

        Lo que sí se pasa al disco duro es el archivo de paginación. Memoria ram que no está en uso y está ocupando sitio que otros procesos podrían usar se pasa al disco duro. La prueba la tienes, en que cuando llenas la ram y se empieza a paginar en el disco duro el ordenador prácticamente se te cuelga.

        Saludos.

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