Синтез и молекулярная структура комплекса молекул [Dy(Cpttt)2][B(C6F5)4] с диспрозием (Dy)
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.
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(Cpttt)2][B(C6F5)4], где Cpttt?=?{C5H2tBu3-1,2,4}, 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).
Комментарии (14)
avyfa
29.08.2017 22:42Очень интересно, что произойдёт с данными, если температура значительно поднимется? Если происходит потеря данных, то эта технология подойдёт только как очень ёмкая буферная память, тогда опять же вопрос, какова хотя бы примерная скорость чтения/записи данных?
Zmiy666
29.08.2017 23:00а те системы которые считывают и записывают данные за счет изменения молекулы под воздействием лазерных лучей — они совсем бесперспективны? Когда то читал, что разработали некое подобие пластика из молекул, имеющих два положения, изначально все они в одном положении, но облучая их лазером определенных длин — можно менять состояния молекул и потом лазером же их и считывать То-есть приличный такой массив, который вполне себе легко читался и перезаписывался, без сложных устройств и плотность записи высокая, так как полимер состоял только из целевых молекул во множестве слоев.
Bratak
30.08.2017 00:36Друзья, здесь все вопросы в принципе могут быть риторическими.Самый главный вопрос-на кой ляд нужна такая плотность? Эти современные ученые как ребята из «разрушителей мифов», делают то, что давно известно, только эти хотя бы делают из этого зрелищное шоу… Все эти свойства и возможности давно описаны в теории, в учебниках и научных статьях, но нет же, надо совершить еще одно бесполезное изобретение.В мире существует куда более важные научные и технические проблемы, ожидающие решения.
Daddy_Cool
30.08.2017 01:02Году так в 199Х я покупал на еще Тушинском радиорынке винчестер. По настоящему БОЛЬШОЙ — 540 МЕГАБАЙТ. Для лаборатории. Продавец — слегка понтующийся парень лет 20 сказал: «Ну… это плохой винчестер». Я (испугавшись): «ПОЧЕМУ?» Он: «А нафига он нужен — ТАКОЙ БОЛЬШОЙ?»
— «В мире существует куда более важные научные и технические проблемы, ожидающие решения.»
С какого-то момента — вопрос что считать этими проблемами делается весьма субъективен.
— Ура! Теперь телефоны станут еще тоньше! Но правда работать будут только в холодильнике.
artemev
30.08.2017 00:53Самый главный вопрос-на кой ляд нужна такая плотность?
Вы правда не понимаете зачем или это постебаться для?
Darth_Biomech
30.08.2017 00:58Возможно само устройство будет меньше, и потреблять меньше энергии чем традиционный датацентр. Но что на счет потребления энергии холодильной установкой, которая будет должна держать температуру не выше -213 градусов? Сдается мне, что в целом потребление энергии не будет сильно меньше.
Bratak
30.08.2017 01:36+1Хорошо товарищи, давайте по-порядку. Разработан метод хранения данных в отдельных молекулах при относительно высокой температуре -блаблабла, я прочитал всю статью 2 раза, и нигде не увидел ни слова о том, что же там они разработали.Я даже открыл статью этих ученых в журнале Nature-и даже там ни слова о том, что же там они разработали, просто описание давно известных физико-химических свойств элемента в различных условиях среды. Ни слова о том, как можно записывать информацию, как можно считывать информацию, какое время и в каких условиях ее можно хранить-ни словечка.Как бороться с потерей данных и прочие технические детали-где они? Это все похоже на фарс типа: О, мы открыли кремний и смогли выделить его в чистом виде из песка, теперь мы будем делать микросхемы.
halted
30.08.2017 10:07+1так написано же — концептуальная модель. скорее всего получили пару микрограмм определенной структуры и до автоматической записи/чтения даже не доходили, технология позволяет, значит хватит на концепцию, а дальше как денег выделят.
amarao
30.08.2017 13:49Уже сейчас в системах охлаждения дата-центров используется жидкий гелий с температурой ?269 °C.
WHAT? Ализар-ализар, перестань варить.
Iury
30.08.2017 15:53Никакого метода хранения данных эти ученые не разработали! Статья носит чисто фундаментальный характер. По сути, в статье описан синтез комплекса и его свойства. Комплекс действительно имеет уникальные магнитные свойства, но возможность хранения данных с его помощью — это совсем другая история.
NobodyIsHere
Тут вопрос в том, как именно считывать/записывать биты в массив молекул. Если быт хранится в одной молекуле а для работы с ней требуется относительно огромный инструмент, то реальная плотность записи может и близко быть не столь прекрасной.
Если делать по типу жестких дисков (диск и считывающая головка) то это будет просто очень емкий винчестер со всеми недостатками.
Если делать по принципу флеш памяти, то вопрос — возможно ли это в принципе? А если да — то какой процент объема накопителя займет система записи/чтения/передачи информации? Судя по всему — на каждую бит-молекулу потребуется на порядки больше «обвеса».
nkie
Читающие/записывающие головки, как в жестких дисках здесь действительно нельзя будет использовать. Система позиционирующая головку с точностью до размеров молекулы будет невероятно сложная и дорогая. Тут скорее всего сделают решетку из пересекающихся проводников. Каждое пересечение находится строго над молекулой. Пропускание тока через соответствующие проводники будет включать/выключать бит. Как-то так…
NobodyIsHere
Логично. Только мне не совсем ясно как производится запись и как производится чтение бита-молекулы. Там ведь не сопротивление меняется, а вектор намагниченности. Возможно ли в принципе обойтись простыми проводниками чтобы менять/читать этот вектор?
zagayevskiy
Вам не совсем ясно. Да ладно. То есть немного-таки ясно? И вы спрашиваете об этом на гиктаймсе?