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.
Immagina un aereo che voli a un millimetro da terra e che faccia un giro intorno al mondo ogni 25 secondi contando nel contempo ogni filo d'erba. Rimpicciolisci il tutto fino a farlo stare nel palmo di una mano, e avrai qualcosa che assomiglia a un moderno disco rigido, in grado di contenere più informazioni della biblioteca della tua città. Ma come si fa a immagazzinare così tante informazioni in così poco spazio? In ogni hard disk c'è una serie di piatti che girano ad alta velocità con una testina di registrazione che ne sfiora ciascuna superficie. Ogni piatto è coperto da uno strato di microscopici grani metallici magnetizzati, ed è lì che i dati vengono salvati anche se non riesci a leggerli. Vengono infatti memorizzati sotto forma di uno schema magnetico formato da gruppi di questi piccoli grani. In ogni gruppo, che prende il nome di bit, la magnetizzazione di ogni grano è allineata alle altre, in una delle due direzioni possibili, che corrispondono ai numeri zero e uno. I dati vengono scritti sul disco convertendo stringhe di bit in corrente elettrica che passa poi attraverso un elettromagnete. Questo magnete genera un campo sufficiente a modificare la direzione di magnetizzazione dei grani metallici. Una volta che le informazioni sono state scritte sul disco, un lettore magnetico è in grado di riconvertirle in una forma utilizzabile, proprio come la puntina di un giradischi trasforma i solchi di un vinile in musica. Ma come si fa a ottenere così tante informazioni con solo numeri zero e uno? Beh, mettendone tanti assieme. Ad esempio, una lettera corrisponde a un byte, cioè 8 bit, e una foto normalmente occupa diversi megabyte, ciascuno dei quali corrisponde a 8 milioni di bit. Dato che ogni bit deve essere scritto in una zona fisica del disco, siamo sempre alla ricerca di un modo per aumentarne la densità superficiale cioè il numero di bit che possiamo salvare in un centimetro quadrato del disco. Oggi gli hard disk hanno una densità di quasi 100 gigabit per centimetro quadrato, 300 milioni di volte maggiore rispetto al primo hard disk IBM del 1957. Per aumentare così tanto la capacità di memoria non è stato sufficiente rendere tutto più piccolo, sono state necessarie diverse innovazioni. Con la tecnica della litografia ottica gli ingegneri hanno rimpicciolito le testine che scrivono e leggono il disco. E pur essendo più piccolo, il lettore è diventato più sensibile grazie alle nuove scoperte sulle proprietà magnetiche e quantistiche della materia. I bit possono stare sempre più vicini tra loro grazie ad algoritmi matematici che filtrano il rumore dovuto alle interferenze magnetiche, trovando la sequenza di bit più plausibile in ogni porzione del segnale di rilettura. Inoltre il controllo termico della testina, consentito da un'unità di riscaldamento posta sotto la testina stessa, le permette di mantenersi a meno di cinque nanometri dalla superficie, una distanza pari a quella tra i due filamenti del DNA. Negli ultimi decenni la crescita esponenziale delle capacità di memoria e di calcolo dei computer ha seguito un andamento chiamato Legge di Moore, che nel 1975 pronosticò il raddoppio della densità di informazione ogni due anni. Ma, arrivati a 15,3 gigabit per centimetro quadrato, rimpicciolire ancora i grani magnetici o stiparli più vicini tra loro diventa rischioso a causa del superparamagnetismo. Quando il volume di un grano magnetico è troppo piccolo la sua magnetizzazione viene facilmente perturbata dal calore e può causare lo scambio involontario di alcuni bit, e una conseguente perdita di dati. Gli scienziati hanno trovato una soluzione semplicissima a questo problema: cambiare la direzione di scrittura da longitudinale a perpendicolare, per arrivare a una densità superficiale di 150 gigabit per centimetro quadrato. Recentemente il limite massimo è aumentato ancora, grazie alla registrazione magnetica termoassistita. Questa tecnica sfrutta un materiale termicamente ancora più stabile, la cui resistenza magnetica viene temporaneamente ridotta riscaldando con un laser un punto preciso e permettendo così la scrittura dei dati. Anche se questi hard disk sono ancora dei semplici prototipi, gli scienziati hanno già un altro asso nella manica: i supporti configurati, in cui i bit sono posizionati in nanostrutture separate che potenzialmente permettono densità di 3 terabit per centimetro quadrato e oltre. È quindi grazie agli sforzi congiunti di generazioni di ingegneri, scienziati dei materiali, ed esperti di fisica quantistica che questo strumento incredibilmente potente e preciso occupa a malapena il palmo di una mano.