เทคโนโลยีแม่เหล็กนาโน : ตอนความท้าทายด้านสื่อบันทึกข้อมูล

สุกฤต สุจริตกุล* และ ยงยุทธ เหล่าศิริถาวร

โลกในยุคปัจจุบันนี้กล่าวได้ว่าเป็นโลกยุคโลกาภิวัตน์ซึ่งเป็นยุคที่การติดต่อสื่อสารไร้พรมแดน ลักษณะเช่นนี้ต่างจากโลก ในยุคสมัยก่อนซึ่งการติดต่อสื่อสารเป็นไปโดยลำบากไม่ว่าจะเป็นการเดินทางที่ยาวไกลเพื่อติดต่อด้วยตนเอง หรืออาจจะอาศัย สื่อบันทึกข้อความในลักษณะจดหมายแล้วนำส่งแทน อย่างไรก็ตามการบันทึกข้อความลงในสื่อต่างๆเป็นไปอย่างไม่สะดวก หากข้อความมีจำนวนมากและอายุการใช้งานของสื่อก็สั้น เช่นการเก็บคำสอนทางศาสนาที่ต้องค่อยๆจารลงใบจารซึ่งใช้เนื้อที่ มากและย่อยสลายง่าย ดังนั้นการเก็บข้อมูลต่างๆมีความยุ่งยากและใช้เนื้อที่มากแต่ในสมัยนั้นไม่ใช่ปัญหาที่ใหญ่เนื่องจาก ข้อมูลมีจำนวนไม่มากเมื่อเทียบกับในยุคปัจจุบันซึ่งข้อมูลต่างๆมีจำนวนมากขึ้นอย่างมหาศาลและมีความหลากหลายขึ้นไม่ว่า จะเป็นข้อความธรรมดา รูปภาพ เสียงและภาพยนตร์ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่จะต้องพัฒนาสื่อบันทึกข้อมูลเพื่อรองรับการ จัดเก็บข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเรื่อยๆ สื่อบันทึกข้อมูลแบบหนึ่งที่เป็นที่นิยมเพราะมีประสิทธิภาพสูงและมีความคุ้ม ค่าในแง่ของราคาต่อปริมาณ คือ สื่อบันทึกข้อมูลแบบแม่เหล็ก (เช่น เทปแม่เหล็กและฮาร์ดดิสก์ในคอมพิวเตอร์) ดังจะพบได้จากการสำรวจในปี ค.ศ. 2000 ข้อมูลส่วนใหญ่จะจัดเก็บในสื่อบันทึกแบบแม่เหล็กในรูปแบบเทปและจาน (magnetic tape and disk) (รูปที่ 1 ) [1]ทั้งนี้ปริมาณความต้องการจัดเก็บข้อมูลในสื่อบันทึกแบบแม่เหล็กนี้มีสูงขึ้นเรื่อยๆและเป็นปัจจัย หนึ่งที่กระตุ้นให้เกิดการศึกษา เชิงวิทยาศาสตร์ในระดับนาโนเมตร (10 -9 m) เพื่อหาวิธีทำให้สารแม่เหล็กที่มีขนาดจำกัดสามารถ เก็บปริมาณข้อมูลที่สูงขึ้น เช่น การลดขนาดเม็ดเนื้อสารแม่เหล็ก(เกรนแม่เหล็ก)ที่ใช้เก็บข้อมูลหนึ่งหน่วยย่อยทางดิจิตอล(บิท)ลง ซึ่งจะทำให้สื่อบันทึกข้อมูลมีขนาดเล็กลงแต่บันทึกข้อมูลได้มากขึ้นดังแสดงตัวอย่างใน รูปที่ 2 อย่างไรก็ตามขนาดเกรนแม่เหล็ก ที่เล็กลงนี้ส่งผลให้เสถียรภาพของข้อมูล ลดลงตามไปด้วยและเมื่อถึงจุดหนึ่งที่พลังงานความร้อนจากอุณหภูมิของสิ่งแวด ล้อมมีค่าสูง(แม้ว่าที่อุณหภูมิห้อง)จนทำให้ทิศทางของสภาพแม่เหล็กที่ใช้อ้างอิงเป็นรูปแบบข้อมูลเกิดความผันผวนหักล้างกันจน เข้าสู่สภาพแม่เหล็กพารายวดยิ่ง (วารสารฟิสิกส์ไทย ฉบับเดือน ธ.ค. 2547 – ก.พ. 2548 หน้า 19 – 21) จะทำให้ข้อมูลที่บันทึกเสื่อมไปตามเวลาอย่างรวดเร็ว และการขยายขีดความสามารถในการบันทึกข้อมูลของสื่อแบบแม่เหล็ก เหล่านี้เริ่มจะถึงทางตัน

รูปที่ 1 ปริมาณข้อมูลทั่วโลกที่จัดเก็บในสื่อบันทึกข้อมูลรูปแบบ
ต่างๆในปี ค.ศ. 2000 [1]

รูปที่ 2 ขนาดของฮาร์ดดิสก์ยุคแรกเริ่มเมื่อปี ค.ศ. 1956 เปรียบเทียบกับขนาดของ Microdrive ของ IBM ในปี ค.ศ. 1999 ซึ่ง
แสดงให้เห็นถึงพัฒนาการอันรวดเร็วของประสิทธิภาพในการเก็บข้อมูลของฮาร์ดดิสก์ [2]

 

ทางออกหนึ่งของปัญหา คือ การลดทอนปัญหาสภาพแม่เหล็กพารายวดยิ่งนี้ โดยการนำอะตอมแม่เหล็กมาเรียงประกอบ เป็นกลุ่มก้อนระดับนาโนเมตร (เรียกว่าเกรนแม่เหล็กนาโน) จากนั้นทำการจัดเก็บบันทึกข้อมูลลงในเกรนแม่เหล็กนี้ในหน่วยบิท โดยอาศัยพื้นฐานของเลขฐานสอง (ระบบที่ประกอบด้วยเลข 0 กับ 1) ซึ่งกำหนดโดยทิศทางของสภาพแม่เหล็กในเกรนนั้นๆ จากการทดลองพบว่าหากเกรนแม่เหล็กนี้มีขนาดที่เหมาะสมในเรือนนาโนเมตรจะมีขนาดของสนามหักล้าง H C (สนามแม่เหล็กภายนอกที่ต้องใช้เพื่อทำให้สภาพแม่เหล็กลดลงเป็นศูนย์) มีค่ามากที่สุดดังแสดงใน รูปที่ 3 ซึ่งอยู่ในช่วง   ประมาณ 100 นาโนเมตร และด้วยขนาดของสนามหักล้างที่มากนี้จะทำให้ข้อมูลที่บันทึกลงบนเกรนแม่เหล็กมีเสถียรภาพสูงต่อ ความความผันผวนเนื่องจากความร้อนภายนอก

รูปที่ 3 ขนาดของสนามหักล้าง H C เป็นฟังก์ชันกับขนาดของเกรนแม่เหล็กของสารแม่เหล็กชนิดต่างๆ จะพบว่าในช่วงขนาดเกรนต่ำมากๆ แต่ที่ขนาดเกรนสูงๆ โดยที่ D คือ ขนาดของเกรน [3]

นอกจากนั้นหากสามารถควบคุมการวางตำแหน่งของเม็ดเกรนแม่เหล็กเหล่านี้ให้วางเรียงตัวเป็นระเบียบเช่นเรียงตัวเป็นเหมือนจุดตัด ของกระดาษกราฟมีลักษณะเป็นแถวลำดับ (array) จะทำให้เนื้อที่ทางกายภาพที่จำกัดสามารถวางเกรนแม่เหล็กได้เป็นจำนวน มากกว่าการปล่อยให้เกรนเหล่านี้เกิดแบบสุ่ม ดังนั้นจะยิ่งสามารถเพิ่มความจุให้กับสื่อบันทึกข้อมูลแม่เหล็กได้เพิ่มขึ้นไปอีก อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติระยะห่างระหว่างจุดเกรนแม่เหล็กดังที่กล่าวมาข้างต้นที่จะต้องมีค่าสูงกว่าค่าจำกัดค่าหนึ่ง กล่าวคือถ้าระยะทางห่างเป็นระยะหนึ่ง เกรนแม่เหล็กแต่ละเกรนจะเสมือนอยู่โดดเดี่ยวและทิศทางสภาพแม่เหล็กจะมีทิศคงที่ ตามที่ถูกตั้งค่าไว้ แต่ถ้าระยะทางระหว่างเกรนถูกลดลง เกรนแม่เหล็กที่เคยเสมือนอยู่โดดเดี่ยวระหว่างกันจะเริ่มมีอันตรกิริยาต่อกัน และทิศสภาพแม่เหล็กของแต่ละเกรนจะมีการวางตัวเรียงกันเป็นลักษณะวงวนดังแสดงใน รูปที่ 4 ทำให้สภาพแม่เหล็กเกิดการ หักล้างกันบางส่วนในบางบริเวณและเสถียรภาพของข้อมูลจะเสียไป

รูปที่ 4 (แถวบน) ภาพฉายจากด้านบนแสดงถึงอาร์เรย์ของเกรนแม่เหล็กนาโนของเพอร์มัลลอย(โลหะผสมระหว่างเหล็กและนิกเกิล)ที่มีความหนา 60 นาโนเมตร วางห่างกันเป็นระยะต่างๆ [4] (แถวกลาง) แผนภาพเค้าร่างทางทฤษฎีแสดงผลจากระยะห่างระหว่างจุดเหล่านี้ในแถวบน ซึ่งทำให้ทิศทางสภาพแม่เหล็กโดยรวมเปลี่ยนจากที่มีเสถียรภาพหนึ่งเดียว(กลาง-ซ้าย)เมื่อขนาดห่างมีค่ามาก ไปสู่ทิศทางสภาพแม่เหล็กมีลักษณะหมุนวนทำให้สภาพแม่เหล็กโดยรวมหักล้างกันมีขนาดลดลงเมื่อระยะห่างลดลง(ล่างขวา) [5] และ(แถวล่าง)สภาพแม่เหล็กที่วัดได้จากการทดลองของสารแม่เหล็กนาโนเพอร์มัลลอยแสดงให้เห็นวงวนของสภาพแม่เหล็ก [6]

ดังนั้นในการออกแบบสื่อบันทึกข้อมูลแบบแม่เหล็กนี้ในลักษณะการวางเกรนแม่เหล็กขนาดนาโนที่มีรูปแบบแถวลำดับจำเป็นต้อง อาศัยเทคโนโลยีที่มีแม่นยำในการจัดเรียงและสามารถควบคุมได้ ซึ่งหนึ่งในนั้นคือการใช้เทคโนโลยีในการเจาะตัดสารของแข็ง ด้วยลำอิเล็กตรอน (e-beam lithography) อันเป็นส่วนสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีทางแม่เหล็ก [7] ตัวอย่างผลที่ได้จากการสร้างเกรนแม่เหล็กของสาร Ni ในเรือนนาโนจากเทคนิคนี้เมื่อวัดด้วยเครื่อง AFM (วารสารฟิสิกส์ไทย ฉบับเดือน ก.ย. – พ.ย. 2547 หน้า 21 -23 และฉบับเดือน ธ.ค. 2547 – ก.พ. 2548 หน้า 21 -22) และ MFM แสดงดังใน รูปที่ 5

 

 

รูปที่ 5 ภาพจำลองเกรนแม่เหล็กขนาดนาโนและขนาดสภาพแม่เหล็ก ของสาร Ni จากเครื่อง AFM และ MFM [8]

 

อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีเหล่านี้ยังคงอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการไม่ได้ออกสู่ระดับอุตสาหกรรมเนื่องจากเหตุผลในแง่ค่าใช้จ่ายที่สูง อันเป็นปัจจัยหลักที่ต้องคำนึงในการสร้างผลิตภัณฑ์ ดังนั้นแม้ว่าจะมีวิทยาการที่ทราบแน่ชัดว่าหากวางเกรนแม่เหล็กในเรือนนาโน ในลักษณะเช่นนี้จะได้สื่อบันทึกข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ สูงแต่ถ้าหากว่าเทคโนโลยีที่จำเป็นต้องใช้ในการผลิตยังมีราคาสูง ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตออกมาได้จะมีราคาสูงตามไปด้วยทำให้ไม่เกิด ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ตัวอย่างเช่นนี้แสดงให้เห็นถึงความ จำเป็นที่มีการร่วมบูรณาการระหว่างเทคโนโลยีหลายสาขาประกอบ กันเพื่อการพัฒนาไปพร้อมๆกันแล้วนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ในที่สุด นอกจากนี้ การพัฒนาเทคโนโลยีแม่เหล็กนาโนเพื่อใช้ในทาง อุตสาหกรรมสื่อบันทึกข้อมูลนี้เป็นเพียงหนึ่งในประโยชน์มหาศาล ที่แม่เหล็กนาโนพึงมีได้ ประโยชน์ในด้านอื่นๆของแม่เหล็กนาโน นอกเหนือจากในด้านสื่อบันทึกข้อมูลจะนำเสนอในโอกาสต่อไป

เอกสารอ้างอิง

[1] Miura Y., 2001, Fujitsu Sci. Tech. J. 37, 111.

[2] Bader S. D., “Opportunities in nanomagnetism”, presentation slides, TEXAS A&M university, Sept. 9 th , 2004 .

[3] Shek C. H., Y. Z. Shao, and Joshep K. L. Lai, 2000, Physica A 276 , 201.

[4] Novosad, V., K. Yu. Guslienko, H. Shima, Y. Otani, K. Fukamichi, N. Kikuchi, O. Kitakami, and Y. Shimada, 2001,
IEE E Trans. Magn. 37 , 2088.

[5] Kittel, C., 1996, Introduction to Solid State Physics , 7th ed. (Wiley, New York ), p. 475.

[6] H?mmerle H. and N. Cr?mel, 2006, CERN Courier 46 , 23.

[7] Hosaka S., H. Sano, K. Itoh, and H. Sone, 2006 Microelectron.
Eng . 83 , 792.

[8] “Northwestern University Mesoscopic Physics Group”,
< http://meso.phys.northwestern.edu/images/MFM- AFM.JPG >

[9] Bader S. D., 2006, Rev. Mod. Phys. 78 , 1.

[10] Khurshudov A. and R. J. Waltman, 2001, Wear 251 , 1124.