用“分子眼睛”看計算機的機器語言二進制

劉天昕 吳秀文 邢 杰 郝會穎 趙長春 高 祿

(1 北京科技大學計算機科學與技術(shù)系，北京 100083；2 中國地質(zhì)大學(北京)數(shù)理學院，北京 100083)

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物理與工程

用“分子眼睛”看計算機的機器語言二進制

劉天昕1吳秀文2邢 杰2郝會穎2趙長春2高 祿2

(1北京科技大學計算機科學與技術(shù)系，北京 100083；2中國地質(zhì)大學(北京)數(shù)理學院，北京 100083)

以磁光存儲介質(zhì)為例，從分子環(huán)流入手，介紹磁疇形成的微觀機制，并結(jié)合熱磁光存儲介質(zhì)薄膜的制備技術(shù)與薄膜的微結(jié)構(gòu)闡述計算機的機器語言二進制的微觀本質(zhì)；即從熱磁光存儲材料的角度，二進制機器語言中的基本素數(shù)“1”和“0”對應(yīng)于磁光存儲薄膜材料中磁疇磁矩的空間取向:向上和向下，或磁疇中總的分子環(huán)流的繞行方向:順時針和逆時針.文章涉及物理學、材料學和計算機科學等3門學科的知識，體現(xiàn)了不同學科的交叉發(fā)展，以及物理學是其他現(xiàn)代科學與技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)性地位.

分子環(huán)流；磁光存儲介質(zhì)；磁疇；二進制

人們從進入小學開始接觸數(shù)學就知道了“滿十進一”的數(shù)學運算規(guī)則，但是提到二進制對多數(shù)人來說卻是陌生的.二進制源于中國的《易經(jīng)》，它是18世紀德國數(shù)理哲學大師在拉丁文譯本《易經(jīng)》的八卦組成結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的，其基本素數(shù)為“0”和“1”，即《易經(jīng)》的陰爻和陽爻.而20世紀第三次科技革命的重要標志之一計算機，其運算模式正是二進制.

二進制數(shù)是用“0”和“1”來表示的數(shù)，其基數(shù)為2.進位規(guī)則是“滿二進一”，借位規(guī)則是“借一當二”.二進制數(shù)也是采用位置計數(shù)法，其位權(quán)是以2為底的冪.例如二進制數(shù)110.11，其權(quán)的大小順序為22、21、20、2-1、2-2，亦可表示為(110.11)2=1×22+1×21+0×20+1×2-1+1×2-2=(7.75)10，即二進制的110.11對應(yīng)于十進制的7.75.二進制數(shù)字也有四則運算規(guī)則，即加法、減法、乘法與除法.

計算機已經(jīng)為人們熟知，甚至成為大多數(shù)人日常生活與工作不可缺少的一個工具.在計算機中，廣泛采用的是只有“0”和“1”兩個基本符號組成的二進制數(shù)，而不使用人們習慣的十進制數(shù)，主要的原因如下:(1)二進制數(shù)在物理上最容易實現(xiàn).例如，可以只用高、低兩個電平表示“1”和“0”，也可以用脈沖的有無或者脈沖的正負極性表示它們.(2)二進制數(shù)用來表示的二進制數(shù)的編碼、計數(shù)、加減運算規(guī)則簡單.(3)二進制數(shù)的兩個符號“1”和“0”正好與邏輯命題的兩個值“是”和“否”或稱“真”和“假”相對應(yīng)，為計算機實現(xiàn)邏輯運算和程序中的邏輯判斷提供了便利的條件.但是從物理學分子環(huán)流與磁光存儲材料角度討論二進制卻鮮見研究報道.

針對上述存在的問題，本文從分子的環(huán)流出發(fā)，概述了磁疇形成的微觀機理，并借助磁光存儲介質(zhì)薄膜材料的制備方法與微結(jié)構(gòu)特征，闡述了計算機機器語言二進制所對應(yīng)的磁光存儲材料的微觀本質(zhì).關(guān)于熱磁光存儲薄膜材料磁疇磁矩的空間取向特征是為了適應(yīng)機器語言二進制的編碼技術(shù)，還是二進制編碼語言適應(yīng)了存儲材料的特征，這里不作討論.

1 磁疇 [1-3]

磁疇的概念是Weiss于1907年在分子場理論的假設(shè)中首先提出的，它是指在鐵磁體內(nèi)存在的無數(shù)個線度約為10-4m的自發(fā)極化的小區(qū)域，其內(nèi)含有約1017～1020個原子.

1.1 磁疇形成的微觀機理

磁疇的形成機理可以從物質(zhì)的微觀電結(jié)構(gòu)給出解釋.任何物質(zhì)都是由分子構(gòu)成，分子中的電子都參與兩種運動，即軌道運動和自旋運動，該運動等效于一個環(huán)形電流，稱作分子環(huán)流，其磁性等效于磁矩pm=iS，其中i為電流強度，S的大小為分子環(huán)流平面的面積，方向為環(huán)流平面的法線方向，其與環(huán)流繞行方向成右手螺旋法則.在通常的材料中，這些分子環(huán)流的繞行方向或磁矩方向的排列是無序的(見圖1)，但是在鐵磁類材料中，鄰近的分子環(huán)流(或磁矩)會自動形成方向一致的排列，等效于一個更大的環(huán)形電流，其對應(yīng)的磁矩為Pm=∑pm，該區(qū)域就是磁疇，見圖2.

圖1 通常材料中的分子環(huán)流示意圖(圖中的小圓圈代表分子環(huán)流，環(huán)流上的方向代表電流的繞行方向，與環(huán)流平面垂直的小箭頭代表相應(yīng)分子環(huán)流的磁矩 pm 方向.)

圖2 外磁場B=0條件下的磁疇示意圖(圖中“→”代表相應(yīng)磁疇的總磁矩Pm )

1.2 外磁場對磁疇的影響

在沒有外磁場時，鐵磁質(zhì)內(nèi)各個磁疇的排列方向是無序的(圖3(a))，所以鐵 磁 質(zhì)對外不顯示磁性.但是當有外磁場時，鐵磁質(zhì)內(nèi)的磁疇一般經(jīng)歷兩種變化:疇壁的移動和磁疇磁矩的轉(zhuǎn)向.磁疇的磁化方向與外磁場方向所成夾角較小的磁疇的體積隨著外磁場的強度增強而長大，而與外磁場方向所成夾角較大的磁疇的體積隨著外磁場的強度增強而減小；當外磁場的強度繼續(xù)增大，磁疇的磁化方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，并與外磁場方向趨于一致，直至完全一致，即達到飽和磁化(圖3(d))，這時，鐵磁材料便表現(xiàn)出很強的磁性.

圖3 外磁場對鐵磁材料磁疇的影響示意圖

2 磁光存儲介質(zhì)薄膜的制備方法與其磁性微結(jié)構(gòu)特征

2.1 磁光存儲介質(zhì)薄膜的制備方法

磁光存儲介質(zhì)是指磁性存儲材料利用激光來“寫入”和“讀出”數(shù)據(jù)的存儲材料.該類薄膜通常采用濺射淀積和真空蒸發(fā)來制備.其中，濺射淀積方法不論是在該類薄膜的研究工作方面，還是在產(chǎn)業(yè)化制備該類薄膜方面都是該類薄膜制備最常用的方法，這主要是因為該方法不僅可以淀積單一成分，還可以淀積合金和化合物，并且該方法所制備的薄膜具有很好的成分重復(fù)性，例如，Srinivas等于1999年采用濺射淀積方法所制備的Ni/Pt多層膜[4].真空蒸發(fā)方法的優(yōu)點是有利于制備大面積薄膜，同時也具有很好的重復(fù)性.但是，蒸發(fā)制膜過程與所淀積材料的熔點和蒸氣壓有關(guān)，所以用單靶源淀積合金薄膜會受到一定的限制.通常要求靶源中的不同組分具有非常接近的熔點，例如CoNi合金膜的蒸發(fā)制備[5]，其中的Co和Ni就具有相近的熔點，在標準大氣壓下其熔點分別為1492℃和1453℃.

2.2 磁光存儲介質(zhì)薄膜的磁性微結(jié)構(gòu)特征

磁光存儲介質(zhì)薄膜在理想情況下的磁疇微結(jié)構(gòu)特征可參見圖4[6].圖4中的小圓柱形象地描述了磁光存儲介質(zhì)薄膜材料中磁疇的分布特征，每個磁疇所對應(yīng)的合磁矩的方向都與薄膜表面垂直.圖5是通過磁光技術(shù)給出的鐵磁薄膜材料La0.78Ca0.22MnO3的磁疇結(jié)構(gòu)照片[7]，其中用于該測試分析的薄膜是在垂直于晶體生長方向進行的切割.圖5中清楚可見磁疇的微結(jié)構(gòu):在圖5的第一幅圖中用輪廓線標出，其中深色溝壑對應(yīng)于相鄰磁疇的疇壁.

圖4 磁光存儲介質(zhì)薄膜在理想情況下的磁疇微結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 不同溫度下的鐵磁材料La0.78Ca0.22MnO3的磁疇結(jié)構(gòu)圖[6]

3 磁光存儲介質(zhì)薄膜的信號存儲機理與二進制

首先來討論信息是如何存入到存儲介質(zhì)膜中，以及存儲介質(zhì)膜中已寫入的信息是如何讀取的.在熱磁光記錄中，微小的柱狀磁疇(圖4)是信息存儲的基本單元.在信息存入到鐵磁性磁光存儲薄膜材料中時，首先是用激光照射加熱要存入信息的局部磁疇區(qū)域，使該區(qū)域溫度上升至其居里點溫度(對于亞鐵磁性磁光存儲材薄膜料，該溫度也可以是其補償溫度)，而使該區(qū)域失去磁性(或者其矯頑力變得非常的小)；這時減小激光功率，同時附加一個偏磁場，使該區(qū)域磁疇的磁化方向按偏磁場的方向磁化，這個過程即實現(xiàn)了信息的寫入.磁疇中信息的讀取通常采用極向克爾效應(yīng)來識別，即從膜反射回來的低功率激光束的偏振化方向來測試.當一線偏振光(激光)照射到磁疇并反射回來時，其偏振化方向會發(fā)生轉(zhuǎn)向，因為薄膜的多層特點，不同層反射的線偏振光偏振轉(zhuǎn)向角的微小差別，使得其疊加產(chǎn)生的偏振光為橢圓偏振光，該橢圓偏振光主軸的旋轉(zhuǎn)方向依賴于磁疇的磁化方向，換言之，磁疇的磁化方向相反，對應(yīng)的橢圓偏振光的主軸轉(zhuǎn)向相反(轉(zhuǎn)角大小相同)，這樣就實現(xiàn)了磁疇中信息的識別.上述信息寫入與讀取過程可參見圖6(a)、(b).此外，在圖6(c)中給出了信息擦除的原理:首先用激光照射加熱已寫入信息的磁疇區(qū)域至其居里點后，減小激光功率，并附加一與寫入信息時反向的偏磁場，該區(qū)域的信息就被擦除.圖6(d)是信息寫入前磁疇的磁化方向排布方式(格式化狀態(tài))[6].

圖6 熱磁光記錄原理示意圖(a)信息寫入一個“位”；(b)信息讀取；(c)信息擦除；(d)格式化狀態(tài)

由上面信息記錄與讀取原理，以及薄膜中磁疇磁化方向的特點(垂直薄膜向上或向下)可以看出磁化方向的向上和向下分別對應(yīng)于二進制機器語言中的“1”和“0”，或者說磁疇中的總分子環(huán)流的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)方向分別對應(yīng)于二進制機器語言中的“1”和“0”.

4 結(jié)語

通過對磁光記錄薄膜材料中磁疇的微觀本質(zhì)、薄膜的微結(jié)構(gòu)特征和計算機信息存儲與讀取原理的綜合分析，給出了二進制機器語言的物理本質(zhì)是對應(yīng)于磁光存儲薄膜材料中磁疇磁矩的空間取向:向上和向下，或磁疇中總的分子環(huán)流的繞行方向:順時針和逆時針對應(yīng)于二進制中基本素數(shù)“1”和“0”.

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TO SEE BINARY IN COMPUTER MACHINE LANGUAGE WITH “MOLECULAR EYES”

Liu Tianxin1Wu Xiuwen2Xing Jie2Hao Huiying2Zhao Changchun2Gao Lu2

(1School of Computer and Communication Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083；2School of Science,China University of Geosciences,Beijing 100083)

The microcosmic nature of binary in computer machine language was elaborated with thermo-magneto-optic storage medium as an example by combining the microcosmic mechanism of magnetic domain formation,and the preparative technique and the micro-structure of thermo-magneto-optic storage films.The binary prime number “1” and “0” in computer machine language is corresponding to the magnetic moment spatial orientation,up and down,of magnetic domains,or the circling direction,clockwise and anticlockwise,of the resultant molecular circulations in magnetic domains.Three aspects knowledge consisting of physics,materials science and computer science were involved in this paper,which indicated the cross development of different subjects,and the fundamentality of physics to the development of other modern sciences and technologies.

molecular circulation;magneto-optic storage medium;magnetic domain;binary

2015-04-24

教育部高等學校大學物理課程教指委教學研究立項項目(編號:DWJZW201410hb)；北京高等學校教育教學改革立項項目(編號:2014-ms132).

吳秀文，女，教授，主要從事物理學與材料學的教學與研究工作，研究方向為材料物理與化學.wuxw2008@163.com