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Como os discos rígidos dos computadores realmente funcionam?

Apesar da aparência de dispositivos puramente magnéticos, os discos rígidos são também funcionam pelas leis da mecânica quântica. Mas, como isso é possível?

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Como os bons e velhos discos rígidos do seu computador funcionam? Os discos de estado sólido (SSD) modernos funcionam de maneira completamente diferente, portanto, isso se aplica apenas aos tipos mais antigos que são comuns há várias décadas. Especificamente, quando seu computador grava algo na unidade, ele tem que transformar a sequência de zeros e uns que compõem os dados binários em algo físico no disco. Então, quando precisar ler essas informações mais tarde, ele pode voltar e olhar para aquela parte do disco e recuperar os zeros e uns de qualquer material em que foram gravados. Mas como você sabe a diferença entre zero e um? O que a mecânica quântica tem a ver com os HDs dos computadores? Essa é a pergunta que tentarei responder.

“Spin”

Mas antes de chegarmos a esse ponto, tenho que explicar um conceito realmente importante na mecânica quântica chamado “spin”. Esta é uma quantidade que é transportada por todas as partículas da mecânica quântica e está ligada, de forma simplória, à simetria rotacional da partícula. Observe a seta apontando para a direita na imagem abaixo. Esperançosamente, é fácil ver que a única maneira de girar a seta para que fique exatamente igual a quando você inicia (isso é chamado de operação de simetria) é girando-a em 360º. Diz-se que uma partícula com esta simetria rotacional tem um spin 1. Agora olhe para esta seta de duas pontas. Se você girar em torno do eixo indicado pelo ponto vermelho, basta girá-lo 180° para voltar ao ponto inicial. Isso tem um spin 2 porque você precisa girar meia volta para obter a primeira operação de simetria. As outras fotos mostram alguns giros diferentes.

Mas e os elétrons? Bem, eles têm spin ½. Só para ficar claro sobre o que isso significa, usando a mesma analogia, significa que você precisa girar 720 ° antes que o elétron se “pareça” como estava quando você começou. Eu juro que não consigo encontrar uma maneira de esboçar isso, então não posso dar a vocês uma imagem de uma partícula de spin ½, então este é um daqueles momentos onde a mecânica quântica é estranha e contra-intuitiva e nós apenas temos que sorrir e acenar. As outras partículas constituintes dos átomos (prótons e nêutrons) também têm spin ½, então nessa matéria vou me concentrar nesse caso bizarro. O ponto crucial sobre partículas de spin ½ é que seu spin pode existir em dois estados diferentes, geralmente chamados de “up” (cima) e “down” (baixo), e normalmente são representados por setas apontando nessas duas direções.

Spins alinhados na presença de um campo magnético.

Mas por que isso importa? Bem, os spins individuais geram um campo magnético. A razão do ferro ser um material magnético é que a interação entre os spins nos átomos de ferro faz com que todos os spins se alinhem na mesma direção. Portanto, os minúsculos campos magnéticos associados a cada um dos spins se somam para formar um campo bem maior.

Spins desordenados em materiais não magnéticos.

Os materiais não magnéticos não têm esse alinhamento (na verdade, seus spins estão todos alinhados aleatoriamente) e, portanto, os minúsculos campos magnéticos se cancelam porque estão apontando em direções opostas. Materiais como o ferro que têm este alinhamento de spins são chamados de ferromagnéticos.

Lendo e escrevendo dados…

A cabeça de leitura/gravação e os pratos rotativos de material ferromagnético de um disco rígido (HD).

Mas o que isso tem a ver com seu PC? Pois bem, no disco rígido, a parte onde ficam os zeros e os uns é feita de dois pequenos pedaços de material ferromagnético. Em seguida, a diferença entre um e zero é feita manipulando os spins dos átomos em uma das camadas ferromagnéticas. Quando uma corrente elétrica passa por essa região, os elétrons se comportam de maneira diferente dependendo dos spins. Especificamente, se os elétrons têm o mesmo spin que os átomos, eles não interagem muito fortemente e a resistência elétrica é bastante baixa. Mas se eles têm spins opostos, os elétrons interagem fortemente com os átomos, de modo que se refletem nos átomos (ou “espalham-se” na linguagem técnica), sua propagação é impedida e a resistência elétrica é alta.

Segmento de um prato de disco rígido nos estados um e zero. Setas vermelhas são os elétrons que formam a corrente que passa pela cabeça de leitura.

A forma de codificar um ou zero é mostrada na figura acima. Um é codificado alinhando-se os ferromagnetos (as camadas cor-de-rosa) de modo que seus spins apontem na mesma direção. No desenho à esquerda, mostro isso com ambas as camadas tendo spins para cima. Uma corrente de elétrons (mostrada pelas setas vermelhas) tem uma mistura meio a meio de elétrons com spin para cima e spin para baixo. Ao atravessar o prato do HD, os elétrons de spin para cima interagem fracamente com os spins para cima do ferromagneto em ambas as camadas (setas pretas) e encontram baixa resistência. Isso significa que parte da corrente colocada no topo do prato emerge da parte inferior e isso caracteriza o estado único. Observe que os elétrons de spin para baixo são impedidos de chegar ao final da pilha porque se espalham fortemente nos átomos de spin para cima na primeira camada de ferromagneto e, portanto, a resistência para eles é alta.

Para o estado zero, uma das camadas ferromagnéticas tem seus spins invertidos. No desenho à direita, isso é mostrado pela camada inferior agora com uma seta preta de spin para baixo. Para a corrente elétrica, os elétrons de spin descendente ainda se espalham fortemente a partir dos átomos de spin para cima na camada superior. Os elétrons de spin up ainda passam por essa camada, mas então encontram os átomos de spin down na camada inferior, onde os elétrons e os átomos têm spin oposto, então eles se espalham fortemente. Isso significa que nenhuma corrente surge na parte inferior do dispositivo e, portanto, define o estado zero.

Isso significa que, para o disco rígido funcionar, ele precisa ser capaz de fazer duas coisas. Em primeiro lugar, a cabeça de gravação, que é a parte que codifica os zeros e uns quando os dados são gravados no disco, precisa ser capaz de inverter os spins de uma das camadas ferromagnéticas. Então, para recuperar a informação posteriormente, a cabeça de leitura tenta passar a corrente por uma parte específica do material do disco. Se a corrente flui (porque os spins do ferromagneto são os mesmos), então este é um. Se a corrente não fluir (porque os spins do ferromagneto são opostos), então é zero.

E isso funciona inteiramente por causa da propriedade mecânica quântica das partículas chamadas spin: spins alinhados são um, spins opostos são zero. E como bônus, também explica por que você deve ter cuidado com discos rígidos e campos magnéticos fortes, porque um ímã pode alterar o alinhamento de todas as áreas ferromagnéticas no disco rígido e destruir os zeros e uns codificados. Não diga que você não foi avisado!

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduando em Licenciatura em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Editor do Espaço-Tempo.

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