Per far fronte alla inarrestabile domanda di immagazzinamento di informazioni nei settori più svariati dell'economia e della società moderna la ricerca scientifica ha prodotto degli sforzi enormi grazie ai quali la densità degli hard disk dei computer è più che raddoppiata ogni anno negli ultimi anni. Purtroppo però la tecnologia esistente ha raggiunto limiti fisici che impediscono la possibilità di immagazzinare sempre più informazioni in spazi sempre più piccoli. Ricorrendo ad una tecnologia alternativa, otto partner europei nel progetto HIDEMAR, a guida italiana, hanno realizzato un prototipo di hard disk di nuova concezione con densità doppia (200 Gbit/in2: 200 miliardi di bit per pollice quadro) degli attuali dischi commerciali.
Il progetto Europeo "Self assembled nanoparticles and nanopatterned arrays for high density magnetorecording" (HIDEMAR), coordinato dal Dr. Dino Fiorani dell'Istituto di Struttura della Materia del CNR, è uno dei 10 progetti vincitori del premio Descartes 2005, che viene assegnato ogni anno a progetti di ricerca collaborativa europea che hanno ottenuto eccellenti risultati scientifici e tecnologici.
La cerimonia di assegnazione dei premi si terrà a Londra, il 1 ed il 2 Dicembre 2005, presso la sede della Royal Society. Lo scopo del prestigioso premio è l'incoraggiamento di azioni collaborative nel campo scientifico e tecnologico, che costituiscono un prerequisito per lo sviluppo competitivo dell'Europa.
Il progetto HIDEMAR, l'unico progetto vincitore con coordinamento italiano, ha coinvolto in un approccio multisciplinare 6 Istituzioni di ricerca (CNR-ISM, CNRS-Francia, CSIC-Spagna, Université Pierre et Marie Curie-Francia, Università di Vienna, NCSR"D"-Grecia) e due industrie (ST-Microelectronics-Italia e Unaxis Balzers-Liechtenstein), appartenenti a 6 paesi europei. L'output principale di HIDEMAR è stato il disegno e la realizzazione di un disco rigido di nuova generazione, basato su un mezzo magnetico detto "patterned" ad anisotropia perpendicolare (i momenti magnetici dei bit, le unità di memoria, sono orientati perpendicolarmente alla superficie del disco), costituito cioè da una struttura regolare, ottenuta artificialmente mediante tecniche nanolitografiche ad altissima risoluzione, "dot magnetici", entità magnetiche discrete. Tale struttura rappresenta un'architettura alternativa a quella degli hard disk convenzionali, che utilizzano film magnetici ad anisotropia longitudinale (i momenti magnetici dei bit giacciono sul piano del disco) policristallini continui, dove ogni bit è costituito da un elevato numero di grani magnetici. Oltre ad un aumento di densità, i mezzi magnetici "patterned" presentano molti vantaggi rispetto ai mezzi convenzionali, tra cui un più elevato rapporto segnale/rumore (in quanto le interazione tra i bit magnetici sono minimizzate) ed un più semplice processo di scrittura (grazie alla struttura singolo dominio dei bit), mantenendo la piena compatibilità con la esistente tecnologia del disco rotante, in quanto i dot magnetici possono essere sistemati secondo settori circolari.
Su un settore di tale disco è stata ottenuta, a livello prototipale, una densità di 208 Gdot/in2 (1 Giga è pari a 1 miliardo), pari a due volte quella dei più recenti dischi commerciali. I dot, realizzati mediante mediante litografia a fasci di elettroni, hanno le dimensioni di 27.5 nm (1 nanometro, nm, è 1 miliardesimo di metro) con un passo di 57,5 nm. Il materiale di partenza è stato un film multistrato magnetico Co/Pd ad alta anisotropia. I mezzi di registrazione magnetica ad anisotropia perpendicolare costituiti da nanomagneti singolo dominio assemblati in strutture regolari, sia come dot (di poche decine di nanometri) realizzati mediante tecniche nanolitografiche, sia come nanoparticelle (di pochi nanometri) preparate per via chimica ("self assembling"), sono considerati alla base della tecnologia dei futuri hard disk. Essi infatti offrono le potenzialità di raggiungere densità dell'ordine di Tbit/in2 (1 Tera è pari a mille miliardi), mantenendo un elevato rapporto segnale/rumore, mentre i mezzi di registrazione convenzionali hanno ormai raggiunto il loro limite fisico di densità (circa 100 Gbits/in2) imposto dalle dimensioni dei grani magnetici, che non possono scendere al di sotto di una soglia critica, pena la perdita delle informazioni immagazzinate ("limite superparamagnetico"). Il team HIDEMAR si è impegnato in ambedue le tecnologie dei futuri hard disk ed ha ottenuto risultati decisamente competitivi rispetto ai concorrenti extraeuropei. Infatti, nonostante le maggiori ditte operanti nel settore (americane e giapponesi) stiano investendo da anni notevoli risorse sui dischi magnetici "patterned", non sono stati ancora annunciati prototipi di laboratori con densità paragonabili a quelle ottenute da HIDEMAR.
Il premio Descartes conferito ad HIDEMAR rappresenta un riconoscimento dell'alto livello scientifico e del competitivo contenuto tecnologico dell'output del progetto, reso possibile attraverso l'integrazione di competenze complementari, un approccio interdisciplinare alla ricerca, e il trasferimento di know-how e di metodologie di fabbricazione dei materiali dalle istituzioni di ricerca, cioè su piccola scala di laboratorio, alle imprese, cioè su grande scala industriale e di produzione commerciale. Questo rappresenta senza dubbio la chiave della competitività tecnologica ed un ottimo esempio di interazione proficua tra enti di ricerca ed industrie all'interno dell'Unione Europea. Lo sfruttamento tecnologico del know-how del progetto è già operativo in quanto l'industria Unaxis-Baltzers, leader nella fabbricazione di apparati di produzione di hard disk, sta introducendo nel disegno dei suoi nuovi macchinari la tecnologia sviluppatasi all'interno del progetto HIDEMAR.
Costo dell'intero progetto europeo: 3734000 Euro (la metà finanziata dall'Unione Europea).
Accanto al premio Descartes, un ulteriore importamte riconoscimento scientifico per il progetto HIDEMAR è rappresentato dalla scelta di questo progetto tra i tre progetti europei che sono stati scelti per rappresentare l'Unione Europea in un Forum (Taiwan, 12-14 Dicembre 2005) UE-Taiwan per promuovere un programma di ricerca e sviluppo tecnologico congiunto.
Contesto tecnologico
L'immagazzinamento ed il trattamento delle informazioni rivestono ormai un ruolo pervasivo nella nostra vita di tutti giorni. La registrazione magnetica rappresenta la tecnologia dominante per l'immagazzinamento delle informazioni in computer e l'hard disk, il suo cuore, è senza dubbio il dispositivo più diffuso e conveniente (per i bassi costi e per la densità di informazioni) nelle varie applicazioni, tra cui l'audio e video registrazione digitale e l'elettronica di consumo. Parallelamente allo sviluppo tecnologico della nostra società si sta registrando un aumento continuo di domanda di immagazzinamento di informazioni. Lo scorso anno sono stati immagazzinati 2.2 milioni di Terabyte (2.2 miliardi di miliardi) di informazioni e questo numero sta crescendo alla velocità di 55% l'anno negli ultimi anni. Un'idea dell'immensa mole di tali informazioni: se queste fossero conservate in forma cartacea, per un solo Terabyte sarebbe necessario riempire una torre pari a 15 volte l'Empire State Building di New York. L'evoluzione dell'hard disk a partire dal primo prototipo, RAMAC, realizzato dall'IBM nel 1956, ha registrato progressi spettacolari grazie allo sviluppo delle conoscenze sul magnetismo, in diversi settori della scienza e tecnologia dei materiali e più recentemente nelle nanotecnologie. Il progresso è stato continuamente alimentato da una domanda di densità di immagazzinamento dati sempre più alta (dal primo hard disk è aumentata di 8 ordini di grandezza, da 2 kBits/in2 a 100Gbits/in2 nei più recenti dischi commerciali, con un aumento che all'inizio è stato del 25% l'anno, quindi del 60% agli inizi degli anni 90, quindi del 100% alla fine degli anni 90 e successivamente del 130%), di tempi di accesso alle informazioni sempre più corti (riduzione di 5 ordini di grandezza: da 70 kBits/s a 180Mbits/s), di un costo sempre più basso per bit di informazione (diminuzione di 4 ordini di grandezza, da 200 dollari per bit a meno di un cent per bit) e di dimensioni sempre più piccole (le dimensioni di RAMAC erano 50 dischi di 24 pollici, con una capacità di 4 Mbyte, mentre oggi sono di 1 pollice, con una capacità di 4 Mbyte).
Dati di mercato:
22,3 miliardi di US dollari nel 2004; proiezione a 32,5 miliardi di US dollari nel 2009.
Dischi prodotti: 305 milioni nel 2004; proiezione a 644 milioni nel 2009
Gruppo di Ricerca del Dr. Fiorani
Il Dr. Fiorani dirige un gruppo ("Materiali Magnetici Nanostrutturati") attualmente composto di 10 persone: 5 ricercatori, due aiutanti di laboratorio, due dottorandi e un post-doc.
Il gruppo di ricerca del Dr. Fiorani nel progetto ha svolto un ruolo molto importante nel progetto, oltre all'attività di coordinamento, ottenendo ottimi risultati nella deposizione di film sottili magnetici (leghe CoPt ad alta anisotropia) mediante un sistema di ablazione laser pulsata (responsabile di attività: Dr.ssa Elisabetta Agostinelli, Capo Commessa) e nello studio dei processi di magnetizzazione e meccanismi dei processi di inversione della magnetizzazione (responsabile di attività: Dr. Alberto Maria Testa) che sono alla base della registrazione magnetica.
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