Stell dir ein Flugzeug vor, das nur 1 mm über dem Boden fliegt und alle 25 Sekunden die Erde umkreist, während es jeden einzelnen Grashalm zählt. Stell es dir so klein vor, dass es in deine Hand passt und du hast etwas, das mit einer modernen Festplatte vergleichbar ist, die mehr Informationen speichern kann, als die Bibliothek um die Ecke enthält. Wie speichert man so viel Information auf so kleinem Raum? Kern jeder Festplatte sind Platten, die sich mit Hochgeschwindigkeit drehen und über deren Oberflächen Schreibköpfe fliegen. Auf jeder Scheibe ist ein Film winziger, magnetischer Metallkörnchen und die Daten liegen dort nicht in verständlicher Form. Man speichert sie als magnetisches Muster, das aus Gruppen der winzigen Körnchen besteht. In jeder Gruppe, die auch Bit genannt wird, sind alle Körnchen gleich magnetisiert. Es gibt zwei erlaubte Zustände, die Nullen und Einsen entsprechen. Daten werden auf die Platte geschrieben, indem man Folgen von Bits in elektrischen Stom wandelt und durch einen Elektromagneten schickt. Das Feld, das dieser Magnet erzeugt, ist ausreichend stark, um die Richtung der Magnetisierung zu ändern. Wenn die Daten dann auf der Platte stehen, wird ein magnetischer Lesekopf verwendet, um sie wieder auszulesen, ganz ähnlich der Nadel eines Plattenspielers, die die Rillen einer Schallplatte in Musik verwandelt. Aber wie kann man so viel Information nur in Nullen und Einsen packen? Ganz einfach: indem man viele von ihnen zusammenpackt. Ein Buchstabe zum Beispiel kann mit einem Byte, acht Bits, dargestellt werden. Ein Foto dagegen belegt mehrere Megabyte, von denen jedes 8 Millionen Bits hat. Weil jedes Bit seinen eigenen Platz auf der Platte benötigt, versuchen wir, die Dichte immer weiter zu erhöhen, wie viele Bits also auf einen Quadratzentimeter passen. Auf eine moderne Festplatte passen etwa 4000 Gigabit pro Quadratzentimeter, das ist 300 Millionen mal mehr als auf der ersten Festplatte von IBM im Jahr 1957. Diese unglaubliche Entwicklung der Speicherkapazität wurde nicht nur dadurch erreicht, dass alles verkleinert wurde, sie erforderte auch verschiedene Erfindungen. Ein Verfahren namens Dünnschichtlithographie ermöglichte die Verkleinerung von Lese- und Schreibkopf. Trotz seiner kleinen Größe wurde der Lesekopf feinfühliger, weil man neu entdeckte magnetische und quantenphysikalische Eigenschaften nutzte. Algorithmen, die Störungen aus magnetischer Interferenz herausfiltern, ermöglichen es, die Bits dichter zu packen und die wahrscheinlichste Bitfolge aus dem gelesenen Signal herauszulesen. Ein Heizgerät unter dem Schreibkopf, das die Ausdehnung des Kopfes durch die Wärme steuert, erlaubt diesem, weniger als fünf Nanometer über der Plattenoberfläche zu schweben, das ist die Breite von zwei DNA-Strängen. Das exponentielle Wachstum der Speicherkapazität und Rechenleistung folgte in den letzten Jahrzehnten einem Muster, das man Mooresches Gesetz nennt. Es besagte 1975, dass sich alle zwei Jahre die Informationsdichte verdoppeln würde. Als aber 600 Gigabits pro Quadratzentimeter erreicht waren, tauchte beim Verkleinern und Verdichten der magnetischen Körnchen ein neues Problem auf, der Superparamagnetische Effekt: Besteht ein Bit aus zu wenigen Körnchen, kann seine Magnetisierung leicht durch Wärme gestört werden. Das Bit ändert dann ungewollt seinen Wert und Daten gehen verloren. Es gibt aber eine erstaunlich einfache Lösung für dieses Problem: Schreibt man die Daten nicht längs, sondern senkrecht zur Platte, sind Dichten von 6 Terabit pro Quadratzentimeter mögich. Erst kürzlich wurde die Grenze weiter verschoben, indem man das Schreiben durch Wärme unterstützt. Man senkt vorübergehend den magnetischen Widerstand eines noch wärmestabileren Mediums, indem man die Stelle mit einem Laser erwärmt und danach mit Daten beschreibt. Zwar sind solche Festplatten bis jetzt nur Prototypen, aber Wissenschaftler arbeiten schon am nächsten möglichen Trick: Bitstrukturierte Medien, bei denen Bits in getrennten, nanometergroßen Strukturen angeordnet sind, könnten Speicherdichten bis zu 120 Terabits pro Quadratzentimeter oder mehr erlauben. So ermöglicht die Zusammenarbeit von Generationen von Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Quantenphysikern, dass dieses unglaublich nützliche Präzisionswerkzeug sich in deiner Handfläche drehen kann.
Imagine an airplane flying one millimeter above the ground and circling the Earth once every 25 seconds while counting every blade of grass. Shrink all that down so that it fits in the palm of your hand, and you'd have something equivalent to a modern hard drive, an object that can likely hold more information than your local library. So how does it store so much information in such a small space? At the heart of every hard drive is a stack of high-speed spinning discs with a recording head flying over each surface. Each disc is coated with a film of microscopic magnetised metal grains, and your data doesn't live there in a form you can recognize. Instead, it is recorded as a magnetic pattern formed by groups of those tiny grains. In each group, also known as a bit, all of the grains have their magnetization's aligned in one of two possible states, which correspond to zeroes and ones. Data is written onto the disc by converting strings of bits into electrical current fed through an electromagnet. This magnet generates a field strong enough to change the direction of the metal grain's magnetization. Once this information is written onto the disc, the drive uses a magnetic reader to turn it back into a useful form, much like a phonograph needle translates a record's grooves into music. But how can you get so much information out of just zeroes and ones? Well, by putting lots of them together. For example, a letter is represented in one byte, or eight bits, and your average photo takes up several megabytes, each of which is 8 million bits. Because each bit must be written onto a physical area of the disc, we're always seeking to increase the disc's areal density, or how many bits can be squeezed into one square inch. The areal density of a modern hard drive is about 600 gigabits per square inch, 300 million times greater than that of IBM's first hard drive from 1957. This amazing advance in storage capacity wasn't just a matter of making everything smaller, but involved multiple innovations. A technique called the thin film lithography process allowed engineers to shrink the reader and writer. And despite its size, the reader became more sensitive by taking advantage of new discoveries in magnetic and quantum properties of matter. Bits could also be packed closer together thanks to mathematical algorithms that filter out noise from magnetic interference, and find the most likely bit sequences from each chunk of read-back signal. And thermal expansion control of the head, enabled by placing a heater under the magnetic writer, allowed it to fly less than five nanometers above the disc's surface, about the width of two strands of DNA. For the past several decades, the exponential growth in computer storage capacity and processing power has followed a pattern known as Moore's Law, which, in 1975, predicted that information density would double every two years. But at around 100 gigabits per square inch, shrinking the magnetic grains further or cramming them closer together posed a new risk called the superparamagnetic effect. When a magnetic grain volume is too small, its magnetization is easily disturbed by heat energy and can cause bits to switch unintentionally, leading to data loss. Scientists resolved this limitation in a remarkably simple way: by changing the direction of recording from longitudinal to perpendicular, allowing areal density to approach one terabit per square inch. Recently, the potential limit has been increased yet again through heat assisted magnetic recording. This uses an even more thermally stable recording medium, whose magnetic resistance is momentarily reduced by heating up a particular spot with a laser and allowing data to be written. And while those drives are currently in the prototype stage, scientists already have the next potential trick up their sleeves: bit-patterned media, where bit locations are arranged in separate, nano-sized structures, potentially allowing for areal densities of twenty terabits per square inch or more. So it's thanks to the combined efforts of generations of engineers, material scientists, and quantum physicists that this tool of incredible power and precision can spin in the palm of your hand.