音波が将来の磁気HDDに動力を与える可能性

データ保存の必要性は驚異的な速度で増大しています。現在、世界中で推定2.7ゼタバイト（2.7 ²¹）のデータが保管されており、これは地球上の70億人一人当たり数兆バイトに相当します。

このデータに迅速かつ確実にアクセスすることは、それを活用して有益なことを行うために不可欠です。問題は、それを行う現在の方法はすべて非常に遅いということです。

従来のハードディスクドライブは、回転するディスクに磁気的にデータをエンコードし、高速回転するディスクの表面をスキャンするセンサーによってデータを読み取ります。可動部品があるため、機械的な故障が発生する可能性があり、速度にも限界があります。これが全体の速度低下につながります。

はるかに高速なのは、機械部品を持たず、データを微小な電荷として保存するソリッドステートストレージデバイスです。ほとんどの最新のノートパソコン、すべての最新のスマートフォンとデジタルカメラ、その他多くのデバイスがこの技術（フラッシュメモリとも呼ばれます）を採用しています。

しかし、ソリッドステートデバイスははるかに高速である一方で、信頼性が低下するまでの寿命がハードディスクよりもはるかに短く、価格もはるかに高価です。その速度にもかかわらず、コンピューターの他のコンポーネント間でデータが移動する速度よりもはるかに遅く、システム全体のブレーキとして機能します。

磁気的にデータをエンコードするソリッドステートドライブ（SSD）が理想的です。IBMは、レーストラックメモリと呼ばれるそのバリエーションを開発しています。これは、人間の髪の毛の数百分の1の細さしかない極小のナノワイヤの集合体を使用します。データは磁気的にナノワイヤに沿って1と0の文字列としてエンコードされます。この方式は、一般的なハードディスクよりもはるかに高速にデータを転送できますが、重要な課題は、ナノワイヤを通してデータを「流す」方法を見つけることです。これにより、ナノワイヤへのデータの読み書きを行うセンサーにデータが渡されます。

これは磁場や電流を加えることで実現できますが、熱が発生し、電力効率が低下し、バッテリー寿命に影響します。

しかし、磁気データを移動させる方法は他にもあります。シェフィールド大学の私のグループは、リーズ大学のジョン・カニンガムと共同で、シミュレーションを用いてレーストラックメモリの効率を高める方法を模索し、その成果はApplied Physics Letters誌に掲載されました。そして、音波を用いた驚くべき解決策を偶然発見したのです。

音に感動して

シミュレーションでは、圧電材料の層の上に振動に敏感な磁性ナノワイヤを作成しました。このナノワイヤは電圧をかけると伸縮します。急速に変化する電圧を印加すると、磁性ナノワイヤが振動し始め、表面弾性波と呼ばれる特殊な音波を生成します。

この方法を用いて、ナノワイヤに沿って前方に流れる音波と後方に流れる音波の2つを作成しました。これらの音波が組み合わさることで、ナノワイヤ上に規則的に間隔をあけた、強く振動する領域と全く振動しない領域が作られます。

私たちの研究によると、磁気データビットは強く振動する部分に引き寄せられ、そこに固定されることがわかりました。次に、2つの音波のピッチを変え、一方が高い音を、もう一方が低い音を「歌う」ようにすると、振動領域がナノワイヤに沿って流れ始め、レーストラックメモリに必要なのと同じようにデータビットを引き寄せます。音の向きを変えると、データは逆方向に流れます。音だけで双方向にデータを移動させることも可能です。

現時点では、私たちのシミュレーションでは、データが時速約100マイル（約160km/h）で流れていることを示しています。これはかなり速いように思えますが、私たちはこれを10倍速くしたいと考えています。しかし、この現象の真に興味深い点は、表面弾性波の独特な特性にあります。表面弾性波は物質の表面にしか存在しないため、エネルギーの損失が非常に遅く、数センチメートルも伝搬することができます（これは、ナノワイヤの微小なサイズを考えると非常に大きな値です）。

ナノワイヤは非常に小さいため、1対の波を非常に多くのワイヤに同時に適用し、それらの中のデータを転送することができます。これにより、大量のデータを高速に転送するための非常に電力効率の高い方法となる可能性があります。

この技術が、レーストラックの記憶を阻害している問題の真の解決策となるかどうかを知るには、まだ多くの疑問が残されています。しかし、これらの有望な初期兆候を踏まえ、次のステップは、実際に検証するための実験用プロトタイプを作成することです。®

_{この記事はTheConversation.comに掲載されたものです。}